Физика / 2.Физика твёрдого тела.

Васько Е.И.

Донецкий национальный университет, Украина

Оценка сил, действующих на электрон, при моделировании его рассеяния плёнкой с полосовой доменной структурой (ПДС)

Наряду с экспериментальными методами исследования особенностей рассеяния частиц поверхностями твёрдых тел широко применяются методы машинного моделирования [1]. В частности реализуются исследования движения заряженных частиц в полях рассеяния тонких плёнок с полосовыми доменными структурами, а также решёткой цилиндрических магнитных доменов [2 - 4]. Необходимым условием получения достоверных результатов в ходе численного эксперимента является учет всех наиболее важных факторов, определяющих моделируемые физические взаимодействия. При моделировании рассеяния заряженных частиц плёнками с ПДС наряду с требованиями к точному определению распределения полей рассеяния, условий отражения и энергетических потерь частиц, важным пунктом является учет сил, действующих на неё.

Цель работы – оценить масштаб сил, действующих на электрон, рассеянный плёнкой с ПДС, для определения критичности их учета при моделировании данного процесса.

При движении в полях рассеяния магнитной плёнки на заряженную частицу действует сила Лоренца F_L, сила взаимодействия магнитного момента частицы с градиентным магнитным полем F_G (), сила взаимодействия частицы со своим отражением F_K. Оценка значений перечисленных сил проведена для различных положений частицы в направлениях ОХ и OZ в пределах Р₀, а также различных значений энергии частицы и периода ПДС (ось Z направлена перпендикулярно поверхности плёнки, ОХ – лежит в плоскости плёнки перпендикулярно доменным стенкам).

Сравнение амплитуд сил F_L и F_G показало соотношение между ними F_L/F_G ~ 1000 даже в случае, когда значение F_L минимально (действие магнитного поля на эмитированные электроны основного максимума энергетического спектра в области, в которой еще учитываются поля рассеяния), а значение F_G максимально (в области над плёнкой, где градиент поля имеет наибольшее значение). Что касается отношения сил F_L и F_K, то даже для электрона с энергией Е~10 эВ для всех z > 0.01Р₀ выполняется F_K/F_L << 1 (рисунок 1). Ясно, что увеличение энергии усиливает последнее неравенство. Т.о. при моделировании рассеяния плёнкой с Р₀ ~ 10^-6м учет действия F_K на частицу на расстояниях z >10^-8м до поверхности образца не окажет влияния на характер её движения. При z < 10^-8м дополнительный учёт силы F_K не является необходимым, т.к. на таких расстояниях имеют место взаимодействия включающие силы и другой природы. Все эти взаимодействия при z < 10^-8м учитываются в данном расчете модельным образом.

Рисунок 1. Влияние расстояния от поверхности пленки на отношение сил F_K и F_L, действующих на электрон (Е = 10 эВ) , движущийся вблизи ПДС (4πМ=17900Гс, Ро=10 мкм, h=1мкм) в разных участках ПДС.

Для примера, на электрон с энергией 1000 эВ, движущийся в полях рассеяния плёнки с ПДС (P₀/h=10, h=1мкм, 4πМ = 17900) на расстоянии 0.001·Р₀ от её поверхности, действует сила Лоренца, модуль которой порядка 10^-8÷10^-11Н в зависимости от прицельного параметра по ОХ; при этом сила взаимодействия магнитного момента частицы с полем имеет порядок 10^-12Н, а сила взаимодействия частицы со своим отражением порядка 10^-16Н. Эти результаты подтверждаются сравнением численными расчетами траекторий электронов с полученных с учетом всех перечисленных взаимодействий, с траекториями, найденными только с учетом силы F_L. Учет силы F_K показывает, ее влияние на форму траектории (рисунок 2), однако не принципиально не изменяет режим ее движения (каналирование в данном случае).

Рисунок 2. Траектории электронов, движущихся в режиме поверхностного каналирования, полученные путём численного моделирования в модели, учитывающей (а) действие только силы F_L и (b) действие сил F_L и F_K.

Литература

1. Машкова Е.С., Молчанов В.А. // Рассеяние ионов средних энергий поверхностями твёрдых тел. М.: Атомиздат, 1980, 255с.

2. Васько Е.И., Мельничук П.И // Известия Академии Наук. Серия физическая, 2004, т. 68, № 3, с. 370-373

3. I.A. Melnichuk, E.I. Vasko, Melnichuk P.I. // Functional Materials 2004; 11, с.476-479.

4. Мельничук И.А., Васько Е.И. // Тезисы докладов XXXIX межд. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М: Университетская книга, 2009, с. 47.