Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Физика магнитных доменов

Голосов: 0

Рассмотрены причины образования доменов в ферромагнитных веществах. Описываются интенсивно исследуемые в последнее время цилиндрические магнитные домены. Рассказывается о применении цилиндрических магнитных доменов в устройствах памяти электронных вычислительных машин, о перспективах развития магнитной записи информации.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                    PHYSICS                        ФИЗИКА
                                OF THE MAGNETIC
                                DOMAINS                        МАГНИТНЫХ ДОМЕНОВ
                                V. D. BUCHEL’NIKOV
                                                               З. С. ЕмуЦгъзадйЗ
                                The origin of domains in       уВОfl·ЛМТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ

                                the    ferromagnet      sub-
                                stances is considered. The            ЗЗЦСЦзаЦ
                                recently investigated cylin-
                                                                         Как известно, в ферромагнитных веществах маг-
                                drical magnetic domains               нитные моменты атомов благодаря обменному взаи-
                                are    described.    It   is          модействию при температурах, меньших некоторой
                                explained how cylindrical             критической температуры (температуры Кюри TC),
                                                                      ориентируются параллельно друг другу. В связи с
                                magnetic domains are                  этим любой ферромагнетик при T < TC должен об-
                                used in devices of mem-               ладать макроскопическим магнитным моментом
                                ory of electronic comput-             или намагниченностью M (магнитным моментом
                                                                      единицы объема ферромагнетика). Обменное взаи-
                                ers, and which are per-               модействие по своей природе является чисто кван-
                                spectives of development              товомеханическим эффектом, поэтому не поддает-
                                of magnetic record for the            ся толкованию в терминах классической физики.
                                                                      Тем не менее можно попытаться интерпретировать
                                goal of information tech-             обменное взаимодействие, если учесть квантовоме-
                                nology.                               ханический принцип Паули, который вводится в
                                                                      школьном курсе химии для объяснения строения
                                                                      электронных оболочек атомов. Согласно принципу
                                к‡ТТПУЪ ВМ˚ Ф Л˜ЛМ˚                   Паули, в атоме в одном квантовом состоянии может
                                У· ‡БУ‚‡МЛfl ‰УПВМУ‚ ‚                 находиться не более двух электронов с противопо-
                                                                      ложно направленными спинами (собственными
                                ЩВ УП‡„МЛЪМ˚ı ‚В˘В-
                                                                      моментами количества движения электронов). Ес-
                                ТЪ‚‡ı. йФЛТ˚‚‡˛ЪТfl ЛМ-                ли теперь расширить этот принцип на молекулы и
                                ЪВМТЛ‚МУ ЛТТОВ‰ЫВП˚В                  твердые тела, то можно объяснить природу обмен-
                                                                      ного взаимодействия следующим образом. Допус-
                                ‚ ФУТОВ‰МВВ ‚ ВПfl ˆЛ-
                                                                      тим, что два соседних атома имеют по электрону с
                                ОЛМ‰ Л˜ВТНЛВ П‡„МЛЪ-                  неспаренными спинами. Если спины этих электро-
                                М˚В ‰УПВМ˚. к‡ТТН‡Б˚-                 нов антипараллельны, то квантовые состояния, в
                                                                      которых находятся электроны в атомах, могут пере-
                                ‚‡ВЪТfl У Ф ЛПВМВМЛЛ ˆЛ-
                                                                      крываться и образовывать в результате как бы одно
                                ОЛМ‰ Л˜ВТНЛı    П‡„МЛЪ-               общее состояние. В случае же, когда спины парал-
                                М˚ı ‰УПВМУ‚ ‚ ЫТЪ УИТЪ-               лельны, электроны, отталкиваясь из-за принципа
                                                                      Паули, вынуждены оставаться в индивидуальных
                                ‚‡ı Ф‡ПflЪЛ ˝ОВНЪ УММ˚ı
                                                                      квантовых состояниях. Из сравнения этих двух слу-
                                ‚˚˜ЛТОЛЪВО¸М˚ı П‡¯ЛМ,                 чаев следует, что поскольку распределение электро-
                                У ФВ ТФВНЪЛ‚‡ı ‡Б‚Л-                  нов в них отличается, то естественно, что разным
                                                                      будет и электростатическое взаимодействие между
                                ЪЛfl П‡„МЛЪМУИ Б‡ФЛТЛ
                                                                      ними. Таким образом, отсюда следует, что энергия
                                ЛМЩУ П‡ˆЛЛ.                           твердого тела зависит от ориентации спинов (или
     © ЕЫ˜ВО¸МЛНУ‚ З.С., 1997




                                                                      магнитных моментов, так как с каждым спином
                                                                      связан магнитный момент) электронов и атомов.
                                                                      Часть энергии, зависящая от взаимной ориентации
                                                                      магнитных моментов атомов твердого тела, называ-
                                                                      ется энергией обменного взаимодействия.
                                                                         В ферромагнетиках обменная энергия минималь-
                                                                      на при параллельной ориентации собственных маг-
                                                                      нитных моментов электронов, что и приводит к по-
                                                                      явлению спонтанной намагниченности при T < TC .


92                                                                      лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹12, 1997


    Обменное взаимодействие изотропно по своей        правого буравчика, если ручку буравчика вращать
природе (примите на веру, так как и это свойство      по направлению течения кругового тока (рис. 1).
можно объяснить лишь с позиций квантовой физи-        Величина магнитного момента такого тока пропор-
ки). Если учитывать только такой вид взаимодейст-     циональна произведению силы тока на площадь
вий в ферромагнетике, то намагниченность в нем        окружности, обтекаемую током. Введенная выше
может быть направлена в произвольном направле-        намагниченность равна среднему суммарному маг-
нии. Однако любое кристаллическое твердое тело        нитному моменту молекулярных токов в единице
является анизотропным. Из-за анизотропности           объема вещества. Теперь представьте себе, что вре-
свойств ферромагнетика вектор намагниченности в       мя потекло в обратном направлении (время повер-
нем выстраивается не произвольно, а в строго опре-    нуло вспять, то есть изменился знак у t с + на −). В
деленных направлениях. Обычно это направления,        этом случае скорость меняет знак и частицы, со-
соответствующие кристаллографическим осям. Так,       ставляющие молекулярный ток, будут двигаться в
например, в кубических ферромагнетиках вектор         противоположную сторону, следовательно, изменит-
намагниченности может быть направлен вдоль реб-       ся и направление течения тока, а значит, и направ-
ра куба, диагонали грани куба или главной диагона-    ление магнитного момента элементарного тока, а
ли куба. В одноосных кристаллах намагниченность       также и намагниченности тела.
может быть направлена либо вдоль анизотропии             Энергия любого вещества является всегда поло-
(ферромагнетик типа легкая ось – ФЛО), либо в         жительной величиной. Отсюда следует, что в разло-
плоскости, перпендикулярной оси анизотропии           жениях (1) и (2) должны быть оставлены только
(ферромагнетики типа легкая плоскость – ФЛП).         четные степени намагниченности. Отметим, что
    Обменное взаимодействие с макроскопической
точки зрения принято описывать обменной энерги-
ей We , а анизотропию свойств ферромагнетика –                                  m
энергией анизотропии Wa . Ясно, что обе эти энер-
гии должны зависеть от намагниченности ферро-
магнетика. В связи с этим запишем выражения для
We и Wa в виде разложения по степеням компонент
вектора намагниченности. Для примера ограни-
чимся случаем одноосного ферромагнетика. Тогда

                      αM
                             2
                W e = ----------- + …,          (1)
                          2                                                             I

                      βM z
                             2
                W a = ---------- + …,
                               -                (2)
                          2
где α и β – коэффициенты разложения. Они назы-
ваются соответственно постоянными обмена и ани-
зотропии.
   При записи (1), (2) учитывался тот факт, что об-
менное взаимодействие изотропно (это приводит к
тому, что обменная энергия должна зависеть только
от модуля намагниченности, а не от ее направле-
ния) и что вектор намагниченности – аксиальный
вектор. Аксиальный вектор характеризует враще-
ние вокруг некоторой оси. Его изображают отрез-
ком прямой, направленной параллельно оси с ука-
занием направления вращения вокруг оси. Длина
отрезка при этом должна быть пропорциональна
длине аксиального вектора. Направление же его в
пространстве определяется по правилу буравчика.
Примером аксиальных векторов из школьного кур-
са физики служат угловая скорость, момент силы и
индукция магнитного поля.
   В школьном курсе физики вводятся замкнутые
круговые молекулярные токи Ампера. Молекуляр-            Рис. 1. Правило правого буравчика. Если ручку бу-
                                                         равчика (винта с правой резьбой) вращать по на-
ному току можно сопоставить вектор элементарно-          правлению течения кругового тока I, то поступа-
го магнитного момента. Его направление в прост-          тельное движение острия буравчика определит на-
ранстве определяется поступательным движением            правление магнитного момента m кругового тока



ЕмуЦгъзадйЗ З.С. оабадД еДЙзанзхп СйеЦзйЗ                                                                    93


     выражения (1) и (2) носят приближенный характер,      на области, или домены (от лат. domain – область),
     так как представляют собой первые члены разложе-      намагниченные до насыщения. Домены отделены
     ния этих энергий по степеням намагниченности.         друг от друга доменными границами. Каждый до-
        Каждый реальный ферромагнетик представляет         мен намагничен до насыщения. В соседних доменах
     собой ограниченный образец. Из-за обменного взаи-     намагниченность направлена в разные стороны,
     модействия такой образец при T < TC будет посто-      поэтому намагниченность всего образца может
     янным магнитом. Это приведет к тому, что образец      быть меньше максимальной или равной нулю. В до-
     будет создавать вокруг себя магнитное поле, с кото-   меных границах намагниченность разворачивается
     рым связана некоторая энергия, называемая энер-       от направления M в первом домене к направлению
     гией магнитодипольного взаимодействия Wm . Такое      M во втором домене. Надо отметить, что наличие
     название происходит от слов “магнитный диполь” –      доменов с противоположными направлениями на-
     два магнитных полюса (северный и южный), разве-       магниченности обусловлено изотропией обменной
     денных на небольшое расстояние друг относитель-       энергии (1) и равенством энергий анизотропии (2)
     но друга (по сравнению с расстоянием до точки на-     для состояний с направлением M, параллельным,
     блюдения). Этот вид энергии ферромагнетика еще        например, оси Z, и с M, антипараллельным этой
     называют энергией размагничивающих полей из-за        оси (в случае ФЛО).
     того, что вектор индукции магнитного поля вне об-         Гипотеза существования доменов в ферромаг-
     разца в основном направлен против вектора намаг-      нетиках получила подтверждение в экспериментах
     ниченности. В случае, когда образец намагничен до     Г. Баркгаузена в 1919 году. С помощью изобретенно-
     насыщения (все магнитные моменты атомов выст-         го к тому времени электронного усилителя сигна-
     роены параллельно друг другу), энергия Wm про-        лов он обнаружил, что намагниченность при намаг-
     порциональна объему ферромагнетика. В произ-          ничивании ферромагнетика изменяется скачками
     вольном же случае Wm пропорциональна индукции         (в усилителе слышались щелчки). Эти щелчки (или
     магнитного поля вне образца (индукции размагни-       скачки) отвечают перемагничиванию отдельного
     чивающих полей).                                      домена или некоторой группы доменов и называют-
        Конкуренцией указанных выше трех взаимодей-        ся скачками Баркгаузена.
     ствий и определяется магнитная структура реальных        Впервые непосредственно в микроскоп наблюда-
     ферромагнетиков. Эта конкуренция, в частности,        ли магнитные домены в 1932 году Ф. Биттер, Л.В. Ха-
     приводит в реальных ферромагнитных образцах к         мос и П.А. Тиссен. В этих экспериментах исследо-
     существованию доменов – областей спонтанного          ватели наносили на ферромагнитный кристалл
     намагничивания. Доменная структура реальных об-       суспензию, содержавшую мелкие ферромагнитные
     разцов может быть весьма сложной. Она зависит от      взвешенные частицы. Последние концентрирова-
     анизотропии кристалла, его размеров и формы.          лись в основном вблизи доменных границ, где рас-
     Многообразие видов доменной структуры и ее чув-       пределение намагниченности неоднородно и име-
     ствительность к внешним воздействиям (например,       ется магнитное поле. В результате была получена
     к внешнему магнитному полю) в основном обус-          великолепная картина магнитных доменов. Указан-
     ловлены тем, что она формируется благодаря маг-       ный метод впоследствии получил название метода
     нитодипольному взаимодействию. В частности,           порошковых фигур или фигур Биттера.
     магнитодипольную энергию можно практически               В настоящее время для наблюдения доменных
     сделать равной нулю, если замкнуть силовые линии      структур используются магнитооптический метод,
     магнитного поля внутри образца через поверхност-      метод электронной микроскопии, рентгенографи-
     ные замыкающие домены. В каждом конкретном            ческий и нейтронографический методы. С их помо-
     образце ферромагнетика формируется такая домен-       щью удается получать хорошие картины магнитных
     ная структура, которая соответствует минимуму         доменов как на поверхности образца, так и в объе-
     суммарной энергии: обменной, анизотропии, маг-        ме. Домены в ферромагнетиках теперь можно непо-
     нитодипольной плюс, конечно же, энергии домен-        средственно наблюдать и фотографировать. Таким
     ных стенок. При этом силовые линии магнитного         образом, в настоящее время существование доме-
     поля могут как замыкаться внутри образца, так и       нов в ферромагнетиках является установленным
     выходить на его поверхность и создавать магнитное     фактом.
     поле вне ферромагнетика.
                                                               Теория доменов и доменных стенок зародилась в
                                                           30-х годах нашего столетия. В 1930 году Я.И. Френ-
     зЦезйЙй алнйкаа
                                                           кель и Я.Г. Дорфман показали, что магнитодиполь-
        Существование ферромагнитных доменов впер-         ное взаимодействие играет важную роль в форми-
     вые было постулировано П. Вейссом в 1907 году. Он     ровании доменов. Согласно их гипотезе, в малых
     ввел это понятие для объяснения размагниченного       объемах образца магнитные моменты атомов парал-
     состояния реальных ферромагнитных образцов.           лельны друг другу из-за обменного взаимодействия,
     Согласно гипотезе Вейсса, если образец не поме-       а в больших объемах основную роль играет магни-
     щен во внешнее магнитное поле, то он разбивается      тодипольное взаимодействие, которое приводит к


94                                                           лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹12, 1997


размагничиванию больших образцов ферромагне-         дечников из магнитомягких материалов в транс-
тика. В 1932 году Ф. Блох впервые рассчитал пере-    форматорах.
ходной слой между доменами – структуру домен-            Итак, видно, что условия минимальности энер-
ной границы. В его честь такую доменную границу      гий обмена, анизотропии и размагничивающих по-
называют блоховской.                                 лей противоречивы. Как было показано в работе
   Первая же детальная количественная теория,        Ландау и Лифшица, на практике реализуется не-
позволяющая доказать существование доменов и         которая промежуточная между двумя рассмотрен-
описать их размеры и форму, была построена в         ными выше ситуация с образованием доменной
1935 году в классической работе Л.Д. Ландау и        структуры. При этом в кристалле можно выделить
Е.М. Лифшица. В ней содержались практически все      однородно намагниченные домены, направление
представления, на которых базируется современная     намагниченности в каждом из которых совпадает с
теория доменов. Согласно этой теории, намагни-       одной из эквивалентных осей легкого намагничи-
ченность в доменах практически однородна. Раз-       вания (это направления в ферромагнетике, в кото-
личные домены отделены один от другого пере-         рых энергия анизотропии минимальна, их может
ходным слоем – доменной границей. Толщина            быть несколько!). Домены разделены доменными
доменной границы значительно больше межатом-         границами. Размеры и форма доменов определяют-
ного расстояния, то есть граница имеет макроско-     ся конкуренцией рассмотренных выше взаимодей-
пические размеры.                                    ствий в доменах и доменных границах.
                                                         Оказывается, что доменная структура ферромаг-
икауазх ийьЗгЦзаь СйеЦзйЗ                            нетика определяется в основном тремя факторами.
                                                     Во-первых, она определяется геометрией образца,
   Как уже отмечалось, основными взаимодействи-      то есть его формой и ориентацией кристаллографи-
ями в ферромагнетике являются обменное и магни-      ческих осей относительно поверхности. Во-вторых,
тодипольное. Важную роль также играет анизотро-      энергией магнитной анизотропии, то есть наличи-
пия ферромагнетиков. Обсудим современную точку       ем энергетически эквивалентных направлений на-
зрения на роль указанных здесь факторов различ-      магниченности. В-третьих, в реальном образце до-
ной природы в формировании доменной структуры        менная структура сильно зависит от наличия
ферромагнетиков.                                     несовершенств или дефектов кристаллической
                                                     структуры.
   При отсутствии доменов, то есть в том случае,
когда ферромагнетик намагничен однородно, ми-            Сначала рассмотрим доменную структуру иде-
нимальна сумма We + Wa . Конечно же, предполага-     альной (без дефектов) одноосной плоскопараллель-
ется, что намагниченность направлена вдоль крис-     ной пластинки с поверхностью, перпендикулярной
таллографической оси, отвечающей минимуму Wa .       оси анизотропии (ось Z ). Будем считать, что плас-
Но при этом должна быть максимальна энергия,         тинка бесконечна вдоль осей X и Y, а ее толщина
связанная с возникновением вокруг образца маг-       (размер вдоль оси Z ) равна h. При отсутствии внеш-
нитного поля Wm . Эта энергия для однородного на-    него магнитного поля намагниченность, согласно
магниченного образца пропорциональна его объе-       (2), при β < 0 может быть направлена либо вдоль оси
му V : Wm ∼ V. При больших размерах образца Wm       Z, либо против нее. Очевидно, что при этом выгод-
может принимать очень большие значения, а это        но состояние, в котором будет существовать равное
говорит о том, что однородное намагничивание         количество доменов с Mz = + M0 и Mz = − M0 , причем
больших образцов является невыгодным.                они должны чередоваться друг с другом (рис. 2, а). В
                                                     таком состоянии полная энергия пластинки должна
   Рассмотрим теперь другую крайнюю ситуацию,        быть минимальна. Эта энергия складывается из
когда распределение намагниченности неоднород-       энергии размагничивающего поля, которое в ос-
но по всему объему образца. В этом случае можно      новном сосредоточено вблизи поверхности плас-
добиться того, чтобы была равна нулю энергия Wm .    тинки, и энергии доменных границ.
Расчет показывает, что в таком состоянии обменная
                                                         Как показали Л.Д. Ландау, Л.М. Лифшиц и
энергия пропорциональна V 1/3. Казалось бы, здесь
                                                     Ч. Киттель, по порядку величины энергия размаг-
ситуация выгоднее, чем в предыдущем случае, где
                                                     ничивающих полей пропорциональна
было Wm ∼ V. Однако при неоднородной намагни-
ченности во всем объеме образца в существенной                                   2
                                                                       W m = M 0 dS 0 ,               (3)
его части намагниченность отклонена от направле-
ний, где минимальна энергия анизотропии, поэто-      где M0 – намагниченность домена, d – толщина до-
му в данном случае Wa пропорциональна объему об-     мена, S0 = L 2 – площадь пластины в плоскости XY.
разца. Таким образом, в общем случае и состояние с   Ясно также, что энергия доменных границ
полностью неоднородной намагниченностью не                              Wd = σS1N,                    (4)
является выгодным. Отметим, что такое состояние
тем не менее бывает тогда, когда анизотропия фер-    где σ – энергия доменной границы на единицу по-
ромагнетика пренебрежимо мала, в частности у сер-    верхности, S1 = Lh – площадь доменной границы,


ЕмуЦгъзадйЗ З.С. оабадД еДЙзанзхп СйеЦзйЗ                                                                   95


               а                                                                   тогда, когда l0 < h. Итак, получается, что состояние
           Z                           Y                                           с плоскопараллельной доменной структурой выгод-
                                                                                   нее энергетически по сравнению с состоянием с од-
                                                                                   нородной намагниченностью при h > l0 ∼ 10−5 см. В
                   L                                                               этом случае равновесный размер домена, согласно
                                                                                   (7), растет с увеличением толщины пластины как
                                                                         X           h . Эта зависимость при не очень большой толщи-
                                                                                   не пластин прекрасно согласуется с эксперимен-
           h                                                                       тальными результатами. Однако в образцах с очень
                                                                                   большой толщиной наблюдается отклонение от
                                      d
                                                                                   данной зависимости. В 1945 году Е.М. Лифшиц тео-
               б                                                                   ретически показал, что при большой толщине плас-
                                                                                   тин может начаться ветвление доменов у поверхнос-
                                                                                   ти образца. В каждом домене могут образовываться
                                                                                   клиновидные домены с противоположным направ-
                                                                                   лением намагниченности по сравнению с направ-
                                                                                   лением намагниченности в основном домене. Их
       h                                                                           размер и количество зависят от толщины образца.
                                                                                   Такая структура приводит к смене зависимости ши-
                                                                                   рины домена от толщины образца с d ∼ h1/2 на d ∼ h2/3.
                                                                                       Из (9) следует, что при h < l0 , то есть при малой
                                                      d
                                                                                   толщине пластин, выгоднее становится состояние с
                                                                                   однородной намагниченностью. Это утверждение
                                                                                   носит название критерия однодоменности. Данный
        Рис. 2. Доменная структура ферромагнитной                                  критерий был сформулирован Френкелем и Дорф-
        пластинки: а – структура без замыкания магнит-
        ного потока, б – структура с замыканием магнит-                            маном в 1930 году.
        ного потока через призматические поверхност-                                   Рассмотренная доменная структура относится к
        ные замыкающие домены. L – размер пластинки                                классу доменных структур с незамкнутыми силовы-
        вдоль осей Y и X; h – высота пластинки вдоль оси
        z; d – толщина домена                                                      ми линиями магнитного поля внутри образца (не-
                                                                                   замкнутым магнитным потоком). Оказывается, что
                                                                                   такая структура не всегда является энергетически
     N = L / d – число доменов. Полная энергия пласти-                             выгодной. Как показали Ландау и Лифшиц, в случае
     ны может быть записана в итоге в виде                                         одноосного ферромагнетика зачастую более выгод-
                                                                                   ными являются доменные структуры с замкнутым
                                                 σS 1 L
                W ( d ) = W m + W d = dS 0 M 0 + ------------
                                             2
                                                                             (5)   магнитным потоком (рис. 2, б). Эта модель отлича-
                                                      d                            ется от рассмотренной выше наличием треугольных
                                                                                   замыкающих призматических областей. В результа-
     или
                                                                                   те магнитный поток оказывается замкнутым внутри
                                                                                   кристалла. Магнитные полюсы на поверхности при
                         d M 0 V σV
                                  2                         2
                                                        M0d σ
               W ( d ) = -------------- + ------- = V  --------- + --  ,
                                      -                         - -          (6)   этом исчезают, и вместе с этим обращается в нуль
                               h            d          h           d             вклад магнитодипольной энергии. Но в то же время
                                                                                   увеличивается энергия анизотропии, так как в за-
     где V = L 2h – объем пластины. Эта энергия мини-
                                                                                   мыкающих доменах намагниченность перпендику-
     мальна при
                                                                                   лярна направлению, в котором минимальна энер-
                                      d 2 = l0h,                             (7)   гия анизотропии. Расчет показывает, что такая
                                                                                   доменная структура будет выгодней по сравнению с
     где l 0 = σ ⁄ M 0 – характеристическая длина. Оценки
                        2
                                                                                   предыдущей в том случае, если так называемый
     показывают, что эта длина порядка 10− 5 см. С учетом                          фактор качества образца Q = βM 2 /(4πM 2) = β/(4π)
     (7) энергия пластинки запишется как                                           будет меньше единицы. В противном случае будет
                                                                                   реализовываться доменная структура с незамкну-
                                         2 l                                       тым магнитным потоком.
                                W = 2V M 0 --0
                                             -.                              (8)
                                           h                                           В кубических ферромагнетиках всегда наблюда-
                                                                             2
                                                                                   ются доменные структуры с призматическими за-
     В однородно намагниченной пластинке W 0 = M 0 V .                             мыкающими доменами. В этом случае и энергия
     Отсюда следует, что отношение                                                 анизотропии (в кубических кристаллах перпенди-
                                                                                   кулярное к выгодному направлению намагничен-
                                 W         l                                       ности также энергетически выгодно), и энергия
                                ------ = 2 --0 < 1
                                     -       -                               (9)
                                W0         h                                       магнитодипольного взаимодействия практически


96                                                                                   лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹12, 1997


равны нулю и размеры доменов определяются вели-        ЦМД обладают интересными, присущими толь-
чиной внутренних механических напряжений, воз-      ко им свойствами. Если в пластинке с полосовой
никающих в ферромагнетике при формировании          доменной структурой внутреннее магнитное поле
доменной структуры.                                 должно быть равно нулю, то в образцах с ЦМД из-за
                                                    наличия кривизны доменных границ это поле
                                                    должно быть отлично от нуля. Иначе ЦМД не будут
сагазСкауЦлдаЦ еДЙзанзхЦ СйеЦзх
                                                    устойчивыми. Ситуация здесь аналогична поведе-
   Проведенный анализ базировался на предполо-      нию пузырька газа в жидкости. Для существования
жении о плоскопараллельной форме доменов. Такие     пузырька в жидкости необходимо, чтобы давление
структуры наблюдаются в тонких пленках и плас-      внутри пузырька отличалось от давления в жидкости.
тинках. Однако в реальных ферромагнитных образ-     Также и в случае ЦМД: для их устойчивого существо-
цах нередки и другие виды доменных структур.        вания необходимо наличие внутреннего магнитного
                                                    поля, которое будет создавать дополнительное дав-
   В одноосных кристаллах часто наблюдаются так     ление на искривленную доменную границу. Приве-
называемые лабиринтные доменные структуры. Их       денная аналогия как раз объясняет английское на-
возникновение объясняется тем, что направление      звание ЦМД – magnetic bubble (магнитный пузырек).
доменных границ в плоскости пластины ничем не
фиксировано (в плоскости пластины нет анизотро-         Очень интересно ведет себя ЦМД во внешнем
пии). Изгиб доменных границ может быть обуслов-     магнитном поле (рис. 4). Предположим, что снача-
лен малыми неоднородностями пленки, случайнос-      ла в пластинке при B = 0 существует полосовой или
тью в момент зарождения доменной структуры или      лабиринтный домен или доменная структура. При
эффектами тепловой хаотизации. Такая структура      увеличении магнитного поля до некоторого значе-
остается выгодной и при помещении в малое внеш-     ния B1 , которое называется полем эллиптической
нее магнитное поле, перпендикулярное поверхнос-     неустойчивости ЦМД, лабиринтная структура толь-
ти пленки.                                          ко несколько деформируется. При B > B1 происхо-
                                                    дит зарождение устойчивых ЦМД. Если же B = B1 ,
   При увеличении магнитного поля в такой ситуа-    то круговая форма ЦМД становится неустойчивой
ции возникает очень интересное явление. Очевидно,   относительно растяжения в некотором направле-
что при увеличении поля растут домены, в которых    нии. Отсюда и происходит переход в лабиринтную
вектор M параллелен вектору индукции магнитного     структуру. В интервале полей B1 < B < B2 энергия
поля B и, наоборот, уменьшается размер доменов, в   ЦМД меньше энергии лабиринтной доменной
которых M антипараллелен B. Размер последних        структуры и однородного состояния, то есть в этом
доменов при некотором значении B может стать по-    интервале существуют стабильные ЦМД. При B = B2
рядка характерного размера l0 , введенного выше.    энергии ЦМД и однородного состояния сравнива-
При этом данный полосовой домен распадается на
отдельные цилиндрические домены кругового сече-
ния (рис. 3). Благодаря магнитодипольному взаи-         W
                                                                                        5
модействию они отходят друг от друга и равномерно
распределяются по всей поверхности пластины, об-
разуя, как правило, правильную гексагональную ре-                                           4
шетку. Плотность доменов зависит от величины ин-
дукции B. Интересно отметить, что при уменьшении                                                3
B решетка цилиндрических магнитных доменов
(ЦМД) может сохраняться и в слабых полях, даже                                                      2
при B = 0.


                                                                                                         1



                                                         0             dcr       d0                          d



                                                       Рис. 4. Зависимость энергии W ЦМД от его диа-
                                                       метра при различных значениях индукции магнит-
                                                       ного поля B: (1) B1 < B < B2 ; (2) B = B2 ; (3) B2 < B <
                                                       < Bkol ; (4) B = Bkol ; (5) B > Bkol . d0 – равновесный ди-
                                                       аметр ЦМД, отвечающий минимуму энергии, dcr –
     Рис. 3. Цилиндрические магнитные домены           критическое значение диаметра ЦМД



ЕмуЦгъзадйЗ З.С. оабадД еДЙзанзхп СйеЦзйЗ                                                                            97


     ются, однако тем не менее в пластине могут сущест-      Впервые ЦМД обнаружили группы чехословац-
     вовать метастабильные ЦМД, так как на кривой за-     ких и голландских физиков в 1961 году. После от-
     висимости энергии ЦМД от его радиуса имеется         крытия в 1965 году высокой подвижности ЦМД в
     локальный минимум при некотором значении ди-         ряде магнитных пленок (до 10–15 км/с) американ-
     аметра ЦМД d0 . Данное значение d0 , конечно же,     ский физик Э. Бобек выдвинул идею отнести ЦМД
     зависит от величины магнитного поля. При увели-      к числу перспективных кандидатов на роль носите-
     чении B > B2 величина d0 уменьшается. После до-      лей информации в запоминающих устройствах но-
     стижения d0 значения, называемого критическим        вого типа – без механических частей.
     (dcr), ЦМД скачком исчезает – коллапсирует. Значе-      Почему выгодно использовать ЦМД в качестве
     ние магнитного поля, при котором происходит кол-     носителей информации ЭВМ? Для этого надо
     лапс ЦМД, называется полем коллапса (Bkol). При      вспомнить основные желаемые требования к носи-
     B > Bkol выгодно однородное намагничивание плас-     телям информации. Во-первых, необходимо, чтобы
     тинки, то есть ЦМД в этих полях отсутствуют.         плотность записи информации была высока. Это
         Рассмотрим более подробно изолированный          позволяет сделать носители информации и сами
     ЦМД. Форма ЦМД сохраняется благодаря равнове-        ЭВМ как можно меньшими. Во-вторых, желатель-
     сию двух факторов: тенденции к уменьшению радиу-     но, чтобы скорость записи и считывания информа-
     са домена, ведущей к понижению энергии доменной      ции была высокой. Это налагает очень жесткие тре-
     стенки из-за уменьшения площади поверхности          бования к механической части запоминающих
     стенки, и тенденции к увеличению радиуса, веду-      устройств.
     щей к понижению энергии магнитодипольного вза-          Элементы памяти на основе ЦМД как раз позво-
     имодействия. Увеличение радиуса ЦМД вызывает         ляют решить указанные проблемы. Повышение
     понижение магнитодипольной энергии из-за того,       плотности записи информации на основе ЦМД мо-
     что размагничивающее поле внутри ЦМД ориенти-        жет быть достигнуто за счет уменьшения диаметра
     ровано в направлении вектора намагниченности         ЦМД. В настоящий момент диаметр ЦМД доведен
     вне домена. Образующиеся на поверхности торцов       до значений ∼1 мкм, что позволяет создать устрой-
     ЦМД магнитные полюсы противоположны по зна-          ства с плотностью записи 0,1 Гбит/см2. Повышение
     ку полюсам на поверхности области, граничащей с      скорости записи и считывания достигается, как
     ЦМД. В результате уменьшаются суммарное раз-         указывалось выше, большой подвижностью ЦМД.
     магничивающее магнитное поле и энергия магни-        А самое главное – в устройствах с ЦМД нет механи-
     тодипольного взаимодействия. Расчет показывает,      ческих частей. Запись и считывание информации в
     что суммарное размагничивающее поле направлено       них осуществляются за счет движения ЦМД по маг-
     против намагниченности вне домена и пропорцио-       нитной пленке. Для создания и перемещения ЦМД
     нально (1–2N)M, где N = N(r) – так называемый        используются технологические схемы, например ме-
     размагничивающий фактор ЦМД, зависящий от его        тод магнитных аппликаций и переменного вращаю-
     радиуса r. Кроме того, если поверхностная энергия    щегося магнитного поля, проводников с током, ло-
     доменной стенки равна σ, то магнитное поле, обус-    кального разогрева пленки лазерным лучом и т.д. В
     ловленное давлением внутри ЦМД радиусом r, бу-       основном распространены первые два метода.
     дет пропорционально (по аналогии с давлением
     внутри пузырька в жидкости, известным из школь-      иЦклиЦднаЗх кДбЗанаь
     ного курса физики) −σ/2Mr. Знак минус означает,      еДЙзанзйв иДеьна
     что этот эффект приводит к сжатию домена. Для то-
     го чтобы ЦМД находился в состоянии статического          Несколько слов о тех возможностях памяти на
     равновесия, необходимо, чтобы сумма указанных        магнитных доменах, которые, возможно, будут реа-
     полей уравновешивалась внешним магнитным по-         лизованы в недалеком будущем. Это перспектива
     лем. Анализ полученного условия равновесия пока-     повышения параметров памяти на ЦМД за счет
     зывает, что существует такое значение радиуса        уменьшения размеров доменов. Повышение плот-
     ЦМД, которое как раз и соответствует устойчивому     ности записи может быть достигнуто уменьшением
     состоянию с ЦМД. В малых полях ЦМД становится        диаметра ЦМД до 1 мкм или даже долей микромет-
     неустойчивым относительно перехода в полосовой       ра. Однако здесь возникает чисто технологическая
     домен, а в больших полях радиус домена уменьша-      проблема записи и считывания информации.
     ется и ЦМД исчезает (коллапсирует) – происходит      Должна быть решена задача о создании устройств,
     переход к однородному состоянию без доменов.         которые были бы способны работать с такими ма-
                                                          лыми доменами.
     икаеЦзЦзаЦ сеС Сгь бДиала азойкеДсаа                     Использование ЦМД-устройств при создании
                                                          памяти имеет большие преимущества. В них, как и в
        ЦМД в настоящее время применяются в устрой-       магнитофоне, легко записывать и стирать информа-
     ствах памяти ЭВМ. Логическим элементом 1 в этих      цию. Однако нередко возникает потребность в ста-
     устройствах является сам ЦМД и элементом 0 –         ционарной памяти (типа пластинки). Для таких си-
     пространство между ЦМД.                              стем весьма перспективен термомагнитный способ


98                                                          лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹12, 1997


записи информации с использованием лазерного         появление устройств памяти с плотностью записи
луча. Для хорошо сфокусированного лазерного          практически до 100 Гбит/см2.
луча удается получить объем записи информа-
ции ∼ 0,1 Гбит/cм2.                                     Таким образом, использование магнитных до-
                                                     менов и магнитных свойств веществ позволяет со-
   Одним из перспективных способов записи ин-        здать запоминающие устройства с новыми возмож-
формации считают запись на основе особого класса     ностями и свойствами. Перечислим их еще раз. Это
магнитных неоднородностей – блоховских линий.
                                                     высокая надежность, обусловленная отсутствием
Эти неоднородности возникают в доменных грани-
                                                     механических частей. Эти устройства не боятся воз-
цах. Как указывалось выше, в доменных границах
происходит поворот намагниченности от одного         действия радиации. Наконец, их информативная
вида легкого направления в домене к другому в со-    емкость уже достаточно велика, но еще может быть
седнем домене. Оказывается, что этот разворот мо-    повышена в сотни и тысячи раз. Общими достоин-
жет происходить как по часовой стрелке, так и про-   ствами запоминающих устройств на магнитных ма-
тив нее. Если в доменной границе имеются оба         териалах являются их энергонезависимость, так как
разворота, то промежуточная область в доменной       хранение информации не связано с затратами энер-
границе, которая отделяет два данных противопо-      гии, а также их малые размеры, что позволяет мини-
ложных вращения намагниченности, и называется        атюризировать элементы памяти.
блоховской линией.
   Блоховские линии имеют меньшие размеры,           ганЦкДнмкД
чем ЦМД, так как они находятся в доменных грани-
цах самих ЦМД. Поэтому использование блоховских         1. Каганов М.И., Цукерник В.М. Природа магнетизма.
линий в качестве носителей информации позволит          М.: Наука, 1982. 192 с. (Б-ка “Квант”; Вып. 16).
резко повысить плотность записи информации. Од-         2. Барьяхтар В.Г., Иванов Б.А. В мире магнитных доме-
нако для реализации такой теоретической возмож-         нов. Киев: Наук. думка, 1986. 159 с.
ности нужно решить много технологических задач.
   В последнее время также обсуждается возмож-                                * * *
ность создания устройств с объемной записью ин-
формации, в которых носителями информации бы-           Василий Дмитриевич Бучельников, доктор физи-
ли бы точки пересечения двух различных блоховских    ко-математических наук, профессор, зав. кафедрой
линий – блоховские точки.                            физики твердого тела Челябинского государствен-
   Отметим, что в последнее время за счет новых      ного университета, декан физического факультета.
открытий в магнетизме (например, эффекта гигант-     Область научных интересов – физика магнитных
ского магнитосопротивления в наноструктурах и        явлений. Автор более 100 научных работ и трех
мультислоях) можно спрогнозировать к 2000 году       учебных пособий.




ЕмуЦгъзадйЗ З.С. оабадД еДЙзанзхп СйеЦзйЗ                                                                       99



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика