Спін-хвильова електродинаміка гіротропних магнітних середовищ в постійному зовнішньому електричному полі

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМ. О.О. ГАЛКІНА

УДК 537.632; 537.874; 537.621.39

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

СПІН-ХВИЛЬОВА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА ГІРОТРОПНИХ МАГНІТНИХ СЕРЕДОВИЩ В ПОСТІЙНОМУ ЗОВНІШНЬОМУ ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ

01.04.11 - магнетизм

КУЛАГІН Дмитро Вячеславович

Донецьк-2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна Національної академії наук України.

Науковий керівник:доктор фізико-математичних наук, професор Тарасенко Сергій Вадимович, Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України, керівник відділу теорії магнетизму та фазових переходів

Офіційні опоненти:доктор фізико-математичних наук, професор Лозовський Валерій Зіновійович, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, завідувач кафедри математики, теоретичної фізики та комп'ютерних технологій Інституту високих технологій

доктор фізико-математичних наук, професор Любчанський Ігор Леонідович, Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України, провідний науковий співробітник відділу електронних та кінетичних властивостей нелінійних систем

Захист відбудеться « 5 » жовтня 2010 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.01 при Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург 72).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург 72).

Автореферат розісланий « 3 » вересня 2010 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.184.01,

к.ф.-м.н., с.н.с.Т.М. Тарасенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Революційні зміни в технологіях виробництва мікроелектронних приладів дозволяють з великим ступенем точності формувати різноманітні об'єкти з розмірами в діапазоні від мікрометрів до одиниць нанометрів. На цьому фоні широке розповсюдження отримує новий напрямок в теорії мікроелектронних пристроїв, пов'язаний зі створенням метаматеріалів [1].

Метаматеріал - композитне середовище із локально резонуючих структурних елементів, хвильові властивості яких в довгохвильовому наближенні якісно відрізняються від хвильових властивостей структурних елементів, що утворюють даний метаматеріал. Клас об'єктів, що відносяться до мета матеріалів, постійно розширюється. Зокрема, серед них можна виділити [2]: штучні діелектрики та штучні магнетики, кіральні та омега-структури, біізотропні та біанізотропні середовища, фотонні кристали та ін. Велика кількість робіт з теорії електромагнітних метаматеріалів дозволяє все розмаїття середовищ розділити на чотири класи в залежності від їх ефективної діелектричної () та магнітної () проникності: двічі позитивні середовища (, ), -негативні середовища (, ), -негативні середовища (, ), двічі негативні середовища (, ).

На цьому фоні в останній час особлива увага приділяється проблемі використання магнітоелектричних взаємодій для ефективного впливу на умови формування й поширення електромагнітних хвиль в композитних матеріалах [3]. В цьому випадку одним із ключових є питання про можливість існування таких композитних структур, електродинамічні характеристики котрих можна цілеспрямовано регулювати за допомогою постійних зовнішніх магнітного та електричного полів. Особливий інтерес в цьому плані становлять магнітні фотонні кристали (МФК), проте традиційно при вивченні електродинамічних властивостей цих об'єктів основна увага приділялася залежності їх хвильових властивостей від величини та напрямку [4]. В результаті однією з найважливіших електродинамічних характеристик подібних середовищ, пов'язаних із орієнтацією , є кіральні властивості МФК.

Значно менша кількість досліджень присвячена вивченню впливу на умови проходження та локалізації електромагнітної хвилі в магнітовпорядкованих середовищах, незважаючи на активний розвиток електрооптики немагнітних середовищ. При цьому, як правило, увага приділялася тільки тим випадкам, коли магнітне середовище характеризувалося наявністю лінійного магнітоелектричного ефекту, що вимагає низки суттєвих обмежень у симетрійних властивостях магнітного матеріалу [5]. Разом з тим добре відомо, що в будь-якому магнетику, незалежно від характеру його симетрії, має місце квадратична магнітооптична взаємодія (КМОВ) [6]. Причому, у випадку антиферомагнітних структур, його внесок у спін-хвильову динаміку є обмінно посиленим [6].

З урахуванням цих обставин в останні роки було виконано цикл робіт, пов'язаний із вивченням впливу КМОВ на властивості поляритонів у скомпенсованих антиферомагнетиках та МФК на їх основі у присутності зовнішнього електричного поля [7]. Зокрема, було показано, що в цьому випадку на межі розподілу магнітного й немагнітного середовищ виникає низка додаткових аномалій, як в умовах проходження, так і локалізації поляритонів ТМ та ТЕ типу.

Що ж до ролі КМОВ в спін-хвильовій електродинаміці просторово однорідних гіротропних магнітних середовищ та МФК на їх основі, розташованих у постійному зовнішньому електричному полі, то до цих пір відповідний аналіз не проводився, незважаючи на важливість цього питання для розуміння динамічних властивостей мультифероїків.

Таким чином, враховуючи вищесказане, можна стверджувати, що задача цілеспрямованого та ефективного впливу на спін-хвильову електродинаміку монокристалічних і композитних гіротропних магнітних середовищ за допомогою постійного зовнішнього електричного поля має не тільки суто академічний, але й безсумнівний практичний інтерес.

Зв'язок з науковими програмами, планами темами. Робота над темою дисертації проводилася у відповідності з тематичним планом ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України за темами: «Транспортні та магнітні властивості мезоскопічних гетероструктур», 2006-2009, № держреєстрації 0106U006935; «Електронні та магнітні властивості нано- та мезоскопічних складних систем», 2009-2014, № держреєстрації 0109U004917. Частково результати даної дисертаційної роботи були отримані в рамках спільного російсько-українського дослідного проекту РФФД - ДФФДУ «Нові мікрохвильові й оптичні магнітоелектричні ефекти в феритах, композитних наноструктурах та фотонних кристалах» (номери проектів, відповідно: 09-02-90437 і Ф28.2/099).

При виконанні цих тем здобувач займався теоретичним дослідженням хвильових властивостей магнітних поляритонів в гіротропних магнітних, як просторово однорідних, так й неоднорідних середовищах в постійному зовнішньому електричному полі.

Мета й завдання дослідження. Мета даної дисертаційної роботи полягає в послідовному теоретичному аналізі ролі КМОВ у спін-хвильовій електродинаміці кіральних монокристалічних та композитних магнітних середовищ в постійному зовнішньому електричному полі.

Для досягнення мети були поставлені наступні завдання:

· з'ясувати вплив постійного електричного поля на режими рефракції електромагнітної хвилі ТМ та ТЕ типу, яка падає зі сторони немагнітного діелектрика на поверхню напівобмеженого гіротропного магнетика;

· з урахуванням КМОВ дослідити особливості формування та поширення магнітних поляритонів ТМ та ТЕ типу на межі розподілу «немагнітний діелектрик - гіротропний магнетик» у зовнішньому постійному електричному полі;

· проаналізувати вплив постійного зовнішнього електричного поля на властивості магнітних поляритонів поблизу зовнішньої поверхні обмеженого одновимірного (1D) МФК типу «гіротропний магнетик - немагнітний діелектрик», а також у 1D МФК із антиколінеарно намагніченими сусідніми магнітними шарами.

Об'єктом дослідження дисертаційної роботи є спін-хвильова електродинаміка нескомпенсованих магнітних середовищ в постійному зовнішньому електричному полі.

Предметом досліджень виступають індуковані КМОВ особливості формування та поширення магнітних поляритонів в обмеженому гіротропному магнітному кристалі, який знаходиться в постійному зовнішньому електричному полі.

В роботі були використані наступні методи досліджень: методи феноменологічної теорії магнетизму, метод матриці переходу (transfer матриці), метод ефективного середовища, метод перетинів поверхні хвильових векторів, числові методи, методи комп'ютерної алгебри та комп'ютерної графіки, методи рівнянь математичної фізики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

· на основі урахування КМОВ доведено, що в зовнішньому електричному полі спектр об'ємних магнітних ТМ та ТЕ поляритонів, які поширюються в магнітно нескомпенсованому середовищі, невзаємний уздовж напрямку вектору ( - вектор феромагнетизму);

· отримані необхідні умови, при виконанні яких розглянуті гіротропні магнетики в зовнішньому електричному полі є «лівосторонніми» середовищами;

· теоретично показано, що внаслідок КМОВ зовнішнє електричне поле суттєво впливає на дисперсійні властивості поверхневих магнітних поляритонів ТМ та ТЕ типу. Зокрема, поблизу поверхні напівобмеженого гіротропного магнітного кристалу стає можливим формування обернених поверхневих поляритонних хвиль. Крім цього, умови локалізації, тип поляритону залежать від величини зовнішнього електричного поля;

· доведено, що в тонкошаровому МФК для конкретних параметрів «частота - хвильове число» можливе формування зон фотонного тунелювання. В цих зонах колективна об'ємна електромагнітна хвиля, що сформована у МФК, є результатом гібридизації еванесцентних електромагнітних хвиль в кожному прошарку МФК. При цьому заломлена колективна хвиля може демонструвати не тільки негативну, але й аномальну рефракцію.

Практична значимість отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи дозволяють визначити оптимальні умови, при виконанні яких, за допомогою постійного зовнішнього електричного поля, можна цілеспрямовано й ефективно керувати електродинамічними характеристиками монокристалічних і композитних гіротропних магнітних середовищ (наприклад напрямком групової швидкості і характером локалізації електромагнітної хвилі в магнетиках).

Зокрема, з огляду на тісну аналогію між спін-хвильовою електродинамікою магнітно скомпенсованого мультифероїка і центросиметричного АФМ в постійному зовнішньому електричному полі, можна стверджувати, що всі знайдені в даній дисертаційній роботі аномалії можуть бути реалізовані також і в синтетичних мультифероїках - новому класі композитних магнетиків, що активно досліджуються в даний час.

Таким чином, можна розраховувати, що результати запропонованої дисертаційної роботи знайдуть своє застосування при розробці та оптимізації широкої гами пристроїв функціональної магнітоелектроніки.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що увійшли в дисертацію, отримані при безпосередній участі здобувача.

Дисертант брав активну участь у всіх етапах робіт по темі дисертації: виборі моделі, теоретичних розрахунках, аналізі та обговоренні результатів, підготовці і написанні статей, підготовці доповідей на міжнародних наукових конференціях.

Особисто в роботах [1-а-4-а] із списку публікацій за матеріалами дисертації дисертантом зроблені всі аналітичні розрахунки. У роботах [5-а-6-а] дисертант брав активну участь в постановці задачі, аналітичних розрахунках, аналізі результатів і написанні статей. У роботах [7-а-10-а] дисертантом був виконаний весь обсяг робіт, пов'язаний з теоретичними розрахунками і аналізом отриманих результатів.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи були представлені та опубліковані в матеріалах наступних конференцій, шкіл і симпозіумів:

3rd Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale» (EASTMAG-2007, Kazan, Russia, 23-26 August, 2007); 1-ом международном, междисциплинарном симпозиуме «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (MULTIFERROICS-2007, п. Лоо, Ростов-на-Дону, Россия, 5-10 сентября, 2007); International conference «Functional materials» (ICFM-2007, Partenit, Crimea, Ukraine, 1-6 October, 2007); Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (ФТТ-2007, Минск, Беларусь, 23-26 октября, 2007); Международной зимней школы физиков теоретиков («Коуровка», Новоуральск, Россия, 25 февраля - 2 марта, 2008); Конференції молодих вчених з фізики напівпровідників («Лашкарьовські читання», Київ, Україна, 21-23 квітня, 2008); 1-ой Международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2008: Беларусь - Россия - Украина» (НАНО-2008, Минск, Беларусь, 22-25 апреля, 2008); Всеукраїнської конференції молодих вчених «Фізика низьких температур» (КМВ ФНТ-2008, Харків, Україна, 20-23 травня, 2008); Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2008, Moscow, Russia, 20-25 June, 2008); European Conference «Physics on magnetism» (Poznan, Poland, 24-27 June, 2008); 1-ом международном, междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (LDS-2008, п. Лоо, Ростов-на-Дону, Россия, 5-9 сентября, 2008): Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ-XXI, Москва, Россия, 28 июня - 4 июля, 2009); International Conference on Magnetism (ICM-09, Karlsruhe, Germany, 26-31 July, 2009); 2-ом международном симпозиуме «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (Multiferroics-2009, п. Лоо, Ростов-на-Дону, Россия, 23-28 сентября, 2009); International conference «Functional materials» (ICFM-2009, Partenit, Crimea, Ukraine, 5-10 October, 2009); Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (ФТТ-2009, Минск, Беларусь, 20-23 октября, 2009).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 10 статтях у наукових фахових журналах і 16 збірниках тез та праць міжнародних та вітчизняних наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновків. Загальний обсяг дисертації становить 177 сторінок, у тому числі 133 сторінки основного тексту, 37 малюнків, 2 таблиці, та списку літератури з 132 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено короткий огляд досліджень електродинамічних метаматеріалів, показана актуальність обраної теми, сформульовані мета і завдання дисертації, визначені наукова новизна і практична значимість роботи, особистий внесок здобувача, викладено основний зміст роботи по розділах та підрозділах.

Перший розділ дисертації присвячений аналізу впливу КМОВ на поширення електромагнітних хвиль у гіротропних магнітних просторово однорідних середовищах, що знаходяться в постійному електричному полі.

У підрозділі 1.1 наведена щільність енергії, зокрема структура КМОВ, для центросиметричного легковісного (ЛВ) антиферомагнетика для випадку, коли зовнішнє електричне поле колінеарне легкій магнітній вісі (, ). На основі записаної щільності енергії для необмеженого двопідграткового ЛВ АФМ кристалу в рамках феноменологічного підходу отримані в наявному вигляді відмінні від нуля компоненти тензорів матеріальних співвідношень, що мають наступну структуру:

,

,(1)

(2)

Аналіз отриманих виразів дозволяє говорити про те, що в схрещених магнітному та електричному полях ЛВ АФМ набуває властивостей біанізотропного середовища.

Використовуючи матеріальні співвідношення були визначені магнітооптичні конфігурації, для яких в необмеженому ЛВ АФМ в постійних електричному та магнітному полях має місце незалежне поширення хвиль ТМ та ТЕ типу з дисперсійними співвідношеннями виду

ТМ хвиля:

(3)

ТЕ хвиля:

(4)

Зокрема, з результатів розрахунку відповідних дисперсійних співвідношень (2), (3) випливає, що при поширення нормальних магнітних поляритонів як ТЕ, так і ТМ типу може носити невзаємний характер. При цьому ефект невзаємності зникає за відсутністю одного з зовнішніх полів.

На цій основі в підрозділі 1.2 отримані рівняння кривих, що відповідають перетинам поверхні хвильових векторів поляритонних ТМ та ТЕ хвиль, які поширюються в ЛВ АФМ. У разі розглянутого ЛВ АФМ рівняння кривих, що визначають перетин поверхні рефракції хвилі ТМ (p-поляризації) або ТЕ типу (s-поляризації) площиною падіння , мають наступний вигляд ():

,(5)

де , та - параметри, що залежать як від частоти електромагнітної хвилі, так і від напруженостей зовнішніх магнітного та електричного полів. електромагнітний поляритонний магнетизм

На основі аналізу перетинів поверхні хвильових векторів з'ясовані можливі режими рефракції електромагнітної хвилі, яка падає із сторони немагнітного діелектрика на поверхню напівобмеженого ЛВ АФМ в схрещених та (). При цьому в підрозділі 1.2 розглянуто випадок, коли колінеарне до легкої магнітної вісі та дотичне до межі розподілу середовищ (, рис. 1).

Рис. 1. Форма перетину поверхні хвильових векторів нормальної ТЕ хвилі () в k-просторі площиною при , та : суцільна лінія для ЛВ АФМ, пунктир - для немагнітного середовища. , , утворюють праву трійку векторів. , . , , . (а), (б), (в), (г), (д), (е).

Зокрема, проведений аналіз показав, що умови рефракції електромагнітної хвилі суттєво залежать від того який тип трійки (ліва або права) утворюють вектори , та ( - одиничний вектор уздовж напрямку ). Крім цього, показано, що при ЛВ АФМ може набувати властивостей «лівостороннього» середовища (рис. 1-в), тобто при одночасно негативних значеннях ефективної магнітної та діелектричної проникності падаюча електромагнітна хвиля може одночасно демонструвати ефекти як негативної (рис. 1-б, в), так і аномальної рефракції (рис. 1-в, д, е). Зазначимо, що на рис. 1 наведені тільки ті фрагменти перетинів поверхні хвильових векторів (суцільна лінія), для яких потік енергії заломленої хвилі спрямований вглиб розглянутого ЛВ АФМ.

Аналогічним чином для випадку, коли () колінеарне до легкої магнітної вісі та ортогональне до межі розподілу середовищ, у підрозділі 1.3 з'ясовані можливі режими рефракції в залежності від частоти і поперечної компоненти хвильового вектора падаючої електромагнітної хвилі. Показано, що умови рефракції залежать від знаку скалярного добутку . Розрахунок показав, що як у випадку , так і при , розглянутий АФМ кристал може бути прикладом «лівостороннього» середовища.

У підрозділах 1.1, 1.2 та 1.3 не враховувалася можливість існування «spin-flip» фази, і передбачалося, що повинно бути колінеарним до легкої магнітної вісі антиферомагнетика. Але відомо, що властивості магнітних поляритонів істотно залежать від відносної орієнтації та легкої магнітної вісі. У зв'язку з цим, в підрозділі 1.4 з'ясовано вплив на дисперсійні властивості нормальних магнітних поляритонів ТМ та ТЕ типу, які поширюються у ЛВ АФМ, що знаходиться так само в схрещених магнітному та електричному полях.

Розглядається випадок, коли одночасно ортогональне як до легкої магнітної вісі АФМ, так і до напрямку . Як і раніше, взаємодія спінової підсистеми і зовнішнього електричного поля обумовлена квадратичною магнітооптичною взаємодією. В рамках підрозділу 1.4 також досліджені особливості спін-хвильової електродинаміки й в «spin-flip» фазі розглянутого антиферомагнитного середовища.

Добре відомо, що нескомпенсованість АФМ кристала в основному стані може бути досягнутою не тільки завдяки впливу зовнішнього магнітного поля.

Тому в підрозділі 1.5 вивчено вплив зовнішнього електричного поля на особливості магнітних поляритонів в АФМ середовищах, гіротропні властивості яких обумовлені іншими механізмами. В якості таких механізмів розглянуто взаємодію Дзялошинського-Морії (центросиметричний АФМ зі слабким феромагнітним моментом, який існує незалежно від наявності електричного поля), відповідну щільність енергії якого можна представити у вигляді

,(6)

а також лінійну магнітоелектричну взаємодію (на прикладі центроантисиметричного АФМ зі структурою )

.(7)

В (6) і (7): - константа Дзялошинського-Морії, - комбінації констант лінійної магнітоелектричної взаємодії, - нормований вектор феромагнетизму, - нормований вектор антиферомагнетизму, - нормоване електричне поле, - намагніченість підґраток.

В результаті показано, що матеріальні співвідношення, а отже і особливості спін-хвильової електродинаміки для обох типів нескомпенсованих АФМ середовищ якісно збігаються з розглянутими в підрозділах 1.1 - 1.4 для моделі скомпенсований АФМ при .

Зокрема для обох досліджених у цьому підрозділі механізмів формування нескомпенсованості АФМ структури визначені умови незалежного існування магнітних поляритонів ТМ та ТЕ типу. Наприкінці підрозділу 1.5 проведена оцінка відносної ефективності механізмів лінійної та квадратичної магнітоелектричної взаємодій.

У другому розділі дисертації досліджені ефекти електричного поля при локалізації електромагнітної хвилі на межі розподілу гіротропного магнітного та немагнітного середовищ. Відомо, що однією з необхідних умов формування поверхневої хвилі на межі розподілу двох середовищ є наступний факт: хвиля, що поширюється у середовищі, повинна бути еванесцентною.

Умови формування еванесцентних електромагнітних хвиль (у даному випадку в гіротропному магнітному середовищі) тісно пов'язані з ефектом повного внутрішнього відбиття для об'ємної електромагнітної хвилі, яка падає на поверхню розглянутого напівобмеженого гіротропного магнетика.

Тому в підрозділі 2.1 наведені електродинамічні граничні умови, на основі яких розраховані френелівські коефіцієнти відбиття і проходження електромагнітної хвилі на межі розподілу двох середовищ «гіротропний магнетик - немагнітний діелектрик».

В результаті показано, що коефіцієнт заломлення хвилі ТЕ або ТМ типу, що розглядається як функція кута падіння, істотно змінюється в залежності від того, ліву або праву трійку, утворюють позитивні напрямки векторів , та (, - рівноважний вектор феромагнетизму).

Потім у підрозділі 2.2 вивчені умови формування еванесцентних хвиль ТМ та ТЕ типу в гіротропному магнітному середовищі, яке перебуває в електричному полі.

Аналіз проведено на прикладі ЛВ АФМ, розташованого в схрещених електричному та магнітному полях (). При цьому розглянуто випадок, коли зовнішнє електричне поле колінеарне до легкої магнітної вісі АФМ.

Зокрема, в рамках підрозділу 2.2 показано, що для магнітооптичної конфігурації , внаслідок впливу постійного зовнішнього електричного поля, поряд з експоненціальним спаданням вглиб магнітного середовища, амплітуда еванесцентної поляритонної хвилі (ТМ або ТЕ типу) також може і осцилювати по мірі віддалення від зовнішньої поверхні ЛВ АФМ кристала.

Якщо ж , то має місце звичайне експоненційне спадання амплітуди еванесцентної електромагнітної хвилі вглиб АФМ кристала.

Як відомо із загальної теорії хвильових процесів [8], полюс коефіцієнта відбиття дозволяє визначити закон дисперсії поверхневої хвилі відповідної поляризації.

Тому в підрозділі 2.3 для еванесцентних хвиль, що формуються в ЛВ АФМ при , на основі розрахованих коефіцієнтів відбиття були отримані дисперсійні співвідношення поверхневих магнітних ТМ та ТЕ поляритонів.

У підрозділі 2.3 розглянуто випадок, коли (рис. 2). Аналіз спектрів поверхневих поляритонів показав, що умови локалізації та дисперсійні властивості локалізованої поблизу поверхні АФМ електромагнітної хвилі істотно залежать від знаку скалярного добутку .

Так, наприклад, внаслідок впливу електричного поля при можливе формування оберненої хвилі ТЕ типу, на відміну від випадку . З іншого боку, внаслідок впливу зовнішнього магнітного поля спектр поверхневих магнітних поляритонів стає невзаємним.



Рис. 2. Спектр поверхневих ТЕ поляритонів (суцільна товста лінія) на межі розподілу «ЛВ АФМ - немагнітний діелектрик» в схрещених магнітному і електричному полях: , , . , та - права трійка векторів. Область існування об'ємних хвиль заштрихована. , (а), , (б).

Аналогічним чином, у підрозділі 2.4 розглянуто вплив КМОВ на характер локалізації електромагнітних хвиль ТМ та ТЕ типу поблизу поверхні гіротропного кристала в постійному зовнішньому електричному полі, яке є колінеарним до межі розподілу середовищ ().

Зокрема показано, що завдяки впливу КМОВ, під дією електричного поля поверхнева поляритонна хвиля спадає вглиб гіротропного кристала з осциляціями.

Слід зазначити, що як у підрозділі 2.3, так і підрозділі 2.4, показано, що умови локалізації магнітних поляритонів, що поширюються уздовж поверхні ЛВ АФМ, істотно залежать не тільки від величини електричного і магнітного полів окремо, але й від відношення . Зокрема від залежить тип поверхневого поляритону (реальний або віртуальний) відповідно до класифікації [9], кількість гілок поверхневих поляритонів на площині зовнішніх параметрів «частота - хвильове число ».

У третьому розділі дисертації вивчені індуковані КМОВ особливості електродинаміки гіротропного напівобмеженого одновимірного магнітного фотонного кристала типу «гіротропний магнетик - немагнітний діелектрик» в постійному зовнішньому електричному полі. Як приклад гіротропного середовища було розглянуто ЛВ АФМ при . Аналіз проводився двома методами: матриці переходу та ефективного середовища.

У рамках першого підходу в підрозділі 3.1 отримані вирази для амплітудного коефіцієнта проходження і відбиття об'ємної електромагнітної хвилі ТМ або ТЕ типу, що падає з немагнітного середовища на поверхню напівобмеженого гіротропного 1D МФК.

В результаті, у підрозділі 3.2 показано, що на межі розподілу «1D МФК - немагнітний діелектрик» можливе існування трьох типів колективних поверхневих поляритонних збуджень ТМ або ТЕ типу, які, зокрема, відрізняються просторовою локалізацією взаємодіючих поляритонних мод (тригонометрична або гіперболічна хвилі) в шарах, що складають елементарний період фотонного кристала.

У загальному випадку дисперсійне співвідношення для поверхневої поляритонної хвилі ТМ або ТЕ типу, яка формується на межі розподілу «1D МФК - немагнітний діелектрик» вдається отримати лише у неявному вигляді.

Проте, припущення про ідентичність електродинамічних властивостей зовнішнього, по відношенню до МФК, діелектричного середовища та немагнітних шарів розглянутого фотонного кристала дає можливість знайти необхідні умови існування і явний вигляд дисперсійних співвідношень поверхневих магнітних поляритонів як ТМ, так і ТЕ типу (рис. 3).



Рис. 3. Характер спадання амплітуди колективної поляритонної хвилі (суцільна лінія) в 1D МФК при . Пунктирна лінія показує характер зміни амплітуди електромагнітної хвилі в кожному шарі. , (а), , (б), (в). - глибина проникнення електромагнітної хвилі в магнітний прошарок 1, .

Якщо ж немагнітне середовище, що входить до складу напівобмеженого 1D МФК, і немагнітне середовище, що заповнює зовнішній по відношенню до МФК півпростір, не ідентичні, то аналіз умов формування і дисперсійні властивості поверхневих магнітних ТМ та ТЕ поляритонів можна провести тільки чисельно. Однак у довгохвильовому наближенні ця задача має аналітичний розв'язок в рамках методу ефективного середовища (підрозділ 3.3). Як приклад було розглянуто межу розподілу між немагнітним півпростором та напівобмеженим 1D МФК типу «ЛВ АФМ - немагнетик» при . Аналіз показав, що дисперсійні властивості поверхневих колективних магнітних поляритонів ТМ та ТЕ типу, які формуються на межі розподілу «тонкошаровий гіротропний 1D МФК - немагнітний діелектрик» істотно залежать: 1) від відносної величини та орієнтації та ; 2) від відносної товщини магнітного і немагнітного шарів, що формують розглянутий 1D МФК.

Крім цього, в підрозділі 3.3 показано, що на площині зовнішніх параметрів «частота - хвильове число» можливе формування зон фотонного тунелювання за рахунок гібридизації еванесцентних хвиль ТЕ або ТМ типу в магнітному та немагнітному середовищах, що утворюють розглянутий тонкошаровий 1D МФК.

Рис. 4. Області існування об'ємних магнітних ТМ поляритонів: зафарбована область - в 1D МФК; ліва (права) штриховка - в магнітному (немагнітному) шарі, що утворює надструктуру; зафарбована область без штрихування - зона фотонного тунелювання. , , лінії: 1 - , 2 - , е - (а); , , лінії: 1 - , 2 - , е - (б). Обернена глибина проникнення хвилі в магнітному шарі (, ), в немагнітному шарі (), в 1D МФК ().

У підрозділі 3.4 показано, що для цих сполучень зовнішніх параметрів стають можливими режими як нормальної, так й аномальної та негативної оптичної рефракції для об'ємних магнітних поляритонів ТЕ або ТМ типу, які падають ззовні на одновимірний гіротропний тонкошаровий МФК.

У четвертому розділі дисертаційної роботи проведено дослідження впливу міжшарового впорядкування на властивості магнітних ТЕ поляритонів поблизу поверхні 1D МФК типу «легковісний феромагнетик - немагнетик».

Як приклад розглянуто 1D МФК з віссю (нормаль до межі розподілу середовищ), елементарний період якого складають два феромагнітних шари завтовшки і , розділених немагнітними прошарками, товщини яких і . Тут же передбачається, що середовища 1 і 3 ідентичні, але при цьому напрямки рівноважних намагніченостей будь-яких двох сусідніх дотично намагнічених феромагнітних шарів (, - рівноважний вектор феромагнетизму) антипаралельні один до одного.

Для цієї моделі в підрозділі 4.1 на основі феноменологічного підходу отримано в явному вигляді ненульові компоненти тензорів матеріальних співвідношень для кожного з середовищ, які формують розглянутий 1D МФК. Потім у довгохвильовому наближенні проведено розрахунок матеріальних співвідношень для ефективного середовища для таких орієнтацій зовнішнього електричного поля, коли можливе незалежне поширення ТМ та ТЕ хвиль (, ).

Зокрема було показано, що при нерівних товщинах феромагнітних шарів, що входять до складу тонкошарового 1D МФК спектр нормальних об'ємних магнітних поляритонів ТЕ типу невзаємний щодо інверсії знака напрямку поширення хвилі вздовж .

У цьому ж підрозділі показано, що для хвиль ТЕ типу, що падають ззовні на поверхню розглянутого тонкошарового 1D МФК, стають можливими режими нормальної, аномальної і негативної оптичної рефракції, навіть у тому випадку, коли на площині зовнішніх параметрів «частота - хвильове число» заломлена в 1D МФК ТЕ хвиля відповідає зоні фотонного тунелювання.

При цьому аналіз дисперсійних співвідношень показав, що умови розповсюдження об'ємних поляритонів ТЕ типу, що проходять через межу розподілу магнітного та немагнітного середовищ, істотно залежать від того, яку трійку (ліву або праву) утворюють позитивні напрямки векторів , та .

У підрозділі 4.2 показано, що на межі розподілу «тонкошаровий 1D МФК - немагнітний діелектрик» в постійному зовнішньому електричному полі, як у випадку колінеарного, так і ортогонального до вісі розглянутого фотонного кристала можлива локалізація магнітних ТЕ поляритонів. При цьому спектр поверхневої ТЕ хвилі істотно залежить від величини , знака , а також від відношення ефективних товщин шарів, які формують розглянуту надструктуру.

Зокрема можлива трансформація поверхневого магнітного ТЕ поляритона першого типу у віртуальний, і навпаки (відповідно до класифікації [9]). Також показано, що при заданому напрямку можна за допомогою вибору відповідної орієнтації вектора якісно змінювати характер просторової локалізації поверхневої ТЕ хвилі в 1D МФК.

У підрозділі 4.3 була з'ясована роль немагнітних прошарків в спін-хвильовій електродинаміці в необмеженому 1D МФК з антиферомагнітним типом міжшарового впорядкування при та . Зокрема, показано, що в зовнішньому електричному полі розглянуте ефективне середовище поза точки магнітної компенсації (при відмінних один від одного товщинах феромагнітних шарів, що входять до складу 1D МФК) за своїми електродинамічними характеристиками має властивості кірального середовища, незалежно від розмірних та електродинамічних параметрів немагнітних прошарків, які утворюють МФК.

Якщо товщини феромагнітних шарів, що формують елементарний період 1D МФК, однакові, то при в постійному зовнішньому електричному полі (, ) незалежно від розмірних та електродинамічних параметрів немагнітних середовищ розглянутий тонкошаровий 1D МФК має властивості -середовища. При цьому спектр нормальних магнітних поляритонів, які розповсюджуються у розглянутому тонкошаровому 1D МФК, є взаємним.

Якщо ж , то без додаткових обмежень, що накладаються на немагнітні середовища, що входять до складу надструктури, спектр нормальних ТЕ поляритонів залишається невзаємним і при рівній товщині магнітних шарів ().

Тобто, в даному випадку, тонкошаровий МФК представляє собою невзаємне -середовище. Реалізація взаємності в цій геометрії можлива тільки при ідентичних властивостях немагнітних шарів (як з точки зору розмірних, так і електродинамічних параметрів), що складають елементарний період розглянутого тонкошарового 1D МФК.

У висновках сформульовані основні положення дисертаційної роботи, які виносяться на захист.

ВИСНОВКИ

Підсумком роботи можна вважати наступні результати:

1) У постійному зовнішньому електричному полі КМОВ індукує невзаємність спектру нормальних магнітних поляритонів у необмеженому гіротропному магнетику вздовж напрямку вектора ( - спонтанний або індукований сумарний магнітний момент магнітного середовища).

2) Падаюча ззовні на поверхню гіротропного магнітного кристалу електромагнітна хвиля ТМ або ТЕ типу може демонструвати додаткові режими рефракції, відсутні для відповідних значень частоти і кутів падіння при . Зокрема, визначено необхідні умови, при виконанні яких гіротропний магнетик має властивості «лівостороннього» середовища, реалізуються ефекти негативної або аномальної оптичної рефракції, стає можливим ефект повного внутрішнього відбиття при будь-якому куті падіння.

3) З урахуванням КМОВ для всіх досліджуваних гіротропних магнітних структур визначені умови формування еванесцентних електромагнітних хвиль ТМ та ТЕ типу в залежності від величини і орієнтації . Зокрема вказані умови, при яких амплітуда еванесцентної хвилі ТМ або ТЕ типу спадає вглиб гіротропного магнітного середовища осцилюючих чином.

4) Доведено, що змінюючи величину та орієнтацію електричного поля , можна цілеспрямовано впливати на умови формування, дисперсійні властивості та характер просторової локалізації магнітних поверхневих поляритонів ТМ та ТЕ типу поблизу межі розподілу «немагнітний діелектрик - гіротропний магнетик», як у випадку просторово однорідного магнетика, так і 1D МФК.

5) Показано, що в необмеженому тонкошаровому 1D МФК, вміщеному в постійне зовнішнє електричне поле, можливе формування зон фотонного тунелювання, для яких нормальний магнітний поляритон ТМ або ТЕ типу є результатом гібридизації еванесцентних хвиль в кожному шарі, що формує розглянуту надструктуру.

6) Знайдено умови, при виконанні яких для падаючої ззовні на поверхню 1D МФК об'ємної хвилі ТМ або ТЕ типу, стають можливими ефекти аномальної та негативної оптичної рефракції, незважаючи на те, що в кожному з шарів 1D МФК можуть поширюватися тільки еванесцентні електромагнітні хвилі відповідної поляризації.

7) Показано, що в тонкошаровому 1D МФК типу «феромагнетик - немагнітний діелектрик» з антиколінеарно впорядкованими дотично намагніченими ідентичними сусідніми феромагнітними шарами можна керувати біанізотропними властивостями середовища, змінюючи орієнтацію і величину .

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кулагин Д. В. Поляритонная динамика ограниченного слабого ферромагнетика в постоянном внешнем электрическом поле, нормальном к границе раздела / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Оптика и спектроскопия - 2008. - Т. 104, № 4. - С. 683-692.

2. Кулагин Д. В. Поляритонная динамика одномерного магнитного фотонного кристалла в скрещенных магнитном и электрическом полях / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2008. - Т. 133, № 5. - С. 1051-1069.

3. Певерхностная динамика негиротропного мультиферроика с квадратичным магнитоэлектрическим взаимодействием / Т. В. Лаптева, С. В. Тарасенко, А. С. Савченко, Д. В. Кулагин, В. Г. Шавров, И. В. Жихарев // Известия Российской академии наук: серия физическая. - 2008. - Т. 72, № 10. - С. 1503-1505.

4. Кулагин Д. В. Поляритонная динамика ограниченного слабого ферромагнетика в постоянном внешнем электрическом поле, касательном к границе раздела / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Кристаллография - 2008. - Т. 53, № 6. - С. 1101-1110.

5. Кулагин Д. В. Поляритонная динамика одномерного гиротропного магнитного фотонного кристалла в постоянном внешнем электрическом поле. Метод эффективной среды / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Физика низких температур - 2008. - Т. 34, № 12. - С. 1276-1288.

6. Индуцированные электрическим полем особенности распространения и локализации s-поляритонов в гиротропном 1-D-магнитном фотонном кристалле / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко, В. Г. Шавров // Известия Российской академии наук: серия физическая. - 2009. - Т. 73, № 7. - С. 1015-1017.

7. Кулагин Д. В. Поляритонная динамика одномерного гиротропного магнитного фотонного кристалла в постоянном электрическом поле. I. Особенности рефракции / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Оптика и спектроскопия. - 2009. - Т. 107, № 4. С. 664-674.

8. Кулагин Д. В. Поляритонная динамика одномерного гиротропного магнитного фотонного кристалла в постоянном электрическом поле. II. Поверхностные волны / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Оптика и спектроскопия. - 2009. - Т. 107, № 5. - С. 846-853.

9. Kulagin D. V. Polariton Spectrum of a Bounded Antiferromagnet with a Center of Antisymmetry in an External Electric Field Oriented Normally to the Surface / D. V. Kulagin, A. S. Savchenko, S. V. Tarasenko // Crystallography Reports - 2009. - Т. 54, № 7. - С. 1179-1190.

10. Аномалии поляритонной динамики одномерного магнитного фотонного кристалла с антиферромагнитным типом межслоевого упорядочения в постоянном внешнем электрическом поле / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко, В. Г. Шавров // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2010. - Т. 137, № 2. - С. 318-335.

11. The analysis of polariton spectrum of a one-dimensional gyrotropic magnetic photonic crystal in an external DC field / D. V. Kulagin, A. S. Savchenko, V. V. Shtyrhunova, S. V. Tarasenko // Abstract Book of Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale» (EASTMAG-2007), 23-26 August, 2007 y. - Kazan, 2007. - P. 202.

12. Поверхностная динамика негиротропного мультиферроика с квадратичным магнитоэлектрическим взаимодействием / Т. В. Лаптева, С. В. Тарасенко, А. С. Савченко, Д. В. Кулагин, В. Г. Шавров, И. В. Жихарев // труды 1-го Международного, междисциплинарного симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (Multiferroics-2007), 5-10 сентября, 2007 г. - Пос. Лоо, Ростов-на-Дону, 2007. - С. 159-162.

13. Kulagin D. V. The analysis of polariton spectrum of a one-dimensional gyrotropic magnetic photonic crystal in an external DC field / D. V. Kulagin, A. S. Savchenko, S. V. Tarasenko // Abstracts of International Conference «Functional Materials» (ICFM-2007), 1-6 October, 2007 y. - Partenit, 2007. - P. 299.

14. Кулагин Д. В. Поляритонная динамика одномерного магнитного гиротропного фотонного кристалла в постоянном электрическом поле / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Сборник докладов Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (ФТТ-2007), 23-26 октября, 2007 г. - Минск, 2007. - С. 193-194.

15. Кулагин Д. В. Аномалии отражения и преломления электромагнитных волн на границе раздела «немагнитный диэлектрик - легкоосный антиферромагнетик» в скрещенных магнитном и электрическом полях / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Тезисы докладов XXXII Международной зимней школы физиков теоретиков «Коуровка», 25 февраля - 2 марта, 2008 г. - Новоуральск, 2008. - С. 163.

16. Кулагин Д. В. Поляритонная динамика антиферромагнетика с центром антисимметрии в постоянном электрическом поле / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Програма і тези доповідей 1-ої Всеукраїнської конференції молодих вчених «Фізика низьких температур» (КМВ-ФНТ-2008), 20-23 травня, 2008 р. - Харків, 2008. - С. 105.

17. Кулагин Д. В. Поверхностные поляритоны в 1-D гиротропном магнитном фотонном кристалле в постоянном внешнем электрическом поле / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // материалы 1-ой Международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2008: Беларусь - Россия - Украина» (НАНО-2008), 22-25 апреля, 2008 г. - Минск, 2008. - С. 524.

18. Кулагин Д. В. Спинволновая электродинамика слабоферромагнитного кристалла во внешнем электрическом поле / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко // Збірник тез Конференції молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання-2008», 21-23 квітня, 2008 р. - Київ, 2008. - С. 28-29.

19. Kulagin D. V. Transformation of the polaritonic spectrum of a one-dimensional magnetic photonic crystal in external crossed dc electric and magnetic fields / D. V. Kulagin, A. S. Savchenko, S. V. Tarasenko // Abstracts of European Conference «Physics of magnetism 2008», 24-27 June, 2008 y. - Poznan, 2008. - P. 109.

20. Features of DC electric field in polariton dynamics of one-dimensional magnetic photonic crystal / D. Kulagin, V. Shavrov, V. Kotov, A. Savchenko, S. Tarasenko // Book of abstracts Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2008), 20-25 June, 2008 y. - Moscow, 2008. - P. 87-88.

21. Индуцированные электрическим полем особенности прохождения и локализации s-поляритонов в гиротропном 1-D магнитном фотонном кристалле / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко, В. Г. Шавров // Труды 1-ого международного, междисциплинарного симпозиума «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (LDS-2008), 5-9 сентября, 2008 г. - Пос. Лоо, Ростов-на-Дону, 2008. - с. 168-171.

22. Эффекты электрического поля в поляритонной динамике одномерного магнитного фотонного кристалла с антиферромагнитным типом межслоевого обмена / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, В. А. Котов, В. Г. Шавров, С. В. Тарасенко // Сборник трудов XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» - (НМММ-XXI), 28 июня - 4 июля, 2009 г. - Москва, 2009. - С. 934-935.

23. Spin-wave electrodynamics of gyrotropic magnetic crystal in external DC electric field / D. Kulagin, A. Savchenko, S. Tarasenko, V. Shavrov // Program and abstracts of International Conference on Magnetism 2009 (ICM-09), 26-31 July, 2009 y. - Karlsruhe, 2009. - P. 332.

24. Эффекты постоянного электрического поля в поляритонном спектре 1D магнитного фотонного кристалла с антиферроамгнитным межслоевым обменом / В. А. Котов, Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, С. В. Тарасенко, Л. Т. Цымбал, В. Г. Шавров // труды 2-ого Международного, междисциплинарного симпозиума «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (Multiferroics-2009), 23-28 сентября, 2009 г. - Пос. Лоо, Ростов-на-Дону, 2009. - С. 138-140.

25. Photon tunneling bands of 1D magnetic photonic crystal in crossed magnetic and electric DC fields / D. V. Kulagin, A. S. Savchenko, V. G. Shavrov, S. V. Tarasenko // Abstracts of International Conference «Functional Materials» (ICFM-2009), 5-10 October, 2009 y. - Partenit, 2009. - P. 285.

26. Роль антиферромагнитного межслоевого упорядочения в поляритонной динамике 1-D МФК в постоянном внешнем электрическом поле / Д. В. Кулагин, А. С. Савченко, Л. Т. Цымбал, А. С. Тарасенко, В. А. Котов, В. Г. Шавров, С. В. Тарасенко // Сборник докладов Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (ФТТ-2009), 20-23 октября, 2009 г. - Минск, 2009. - С. 203-205.

Перелік цитованої літератури

1. Caloz C. Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications / Christophe Caloz, Tatsuo Itoh. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2006. 350 p.

2. Sihvola A. Metamaterials in electromagnetics / Ari Sihvola // Metamaterials. - 2007. - Vol. 1, № 1. - P. 2-11.

3. Belotelov V. I. Magneto-optical properties of photonic crystals / V. I. Belotelov, A. K. Zvezdin // Journal of Optical Society of America B. - 2005. - V. 22, № 1. - P. 286-292.

4. Camley R. E. Magnetization dynamics in thin films and multilayer / R. E. Camley // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 1999. - Vol. 200, № 1. - P. 583-597.

5. Шавров В. Г. О магнитоэлектрическом эффекте / В. Г. Шавров // Журнал экспериментальной и теоретической физики - 1965. - T. 48, № 5. - С. 1419-1426.

6. Магнитное двупреломление света в антиферромагнитных фторидах переходных металлов / А. С. Боровик-Романов, Н. М. Крейнес, А. А. Панков, А. А. Талалаев // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1973. - Т. 64, № 5.- С. 1762-1775.

7. Савченко А.С. Магнитные поляритоны в центросимметричных антиферромагнитных структурах: эффекты электрического поля: дис. кандидата физ.-мат. наук: 01.04.11 / Савченко Андрей Сергеевич. - Донецк, 2008. - 161 с.

8. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах / Л. М. Бреховских. - М: Наука, 1973. - 343 с.

9. Поверхностные поляритоны: электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред [сборник научных трудов / под ред. В. М. Аграновича, Д. В. Миллса] - М.: Наука, 1985. - 526 с.

АНОТАЦІЯ

Кулагін Д.В. Спін-хвильова електродинаміка гіротропних магнітних середовищ в постійному зовнішньому електричному полі. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико математичних наук за спеціальністю 01.04.11 - магнетизм. - Донецький фізико-технічний інститут імені О.О. Галкіна, Національна академія наук України, Донецьк, 2010.

Робота присвячена теоретичному вивченню впливу анізотропної квадратичної магнітооптичної взаємодії на властивості поляритонів у низці напівобмежених гіротропних магнітних структур, що знаходяться у постійному зовнішньому електричному полі та межують з немагнітним середовищем. На цьому підґрунті зокрема теоретично показано, що зовнішнє електричне поле індукує невзаємність спектру об'ємних магнітних поляритонів ТМ та ТЕ типу вже в необмеженому гіротропному магнітному середовищі. На цій основі виявлено цілу низку аномалій в умовах локалізації, відбиття та проходження об'ємної електромагнітної хвилі крізь межу розподілу «гіротропний магнетик - немагнітний діелектрик». Крім цього, теоретично показано, що в дрібношаруватому одномірному магнітному фотонному кристалі типу «гіротропний магнетик - немагнітний діелектрик» можливе формування зон фотонного тунелювання. Для цих зон заломлена у фотонний кристал об'ємна електромагнітна хвиля є результатом взаємодії еванесцентних хвиль, які поширюються в кожному прошарку, що формують одномірну надструктуру.

Ключові слова: квадратична магнітооптична взаємодія, поляритон, гіротропний магнетик, електричне поле, невзаємність електромагнітної хвилі, одномірний магнітний фотонний кристал, зона фотонного тунелювання, еванесцентна хвиля.

АННОТАЦИЯ

Кулагин Д.В. Спин-волновая электродинамика гиротропных магнитных сред в постоянном внешнем электрическом поле. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 - магнетизм. - Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина, Национальная академия наук Украины, Донецк, 2010.

В работе теоретически изучено влияние анизотропного квадратичного магнитооптического взаимодействия для ряда полуограниченных гиротропных магнитных сред, которые находятся в постоянном внешнем электрическом поле и граничат с немагнитной средой.

Рассмотрены случаи как однородных магнитных гиротропных сред, так и одномерных гиротропных магнитных фотонных кристаллов.

В частности, на основе строгого теоретического расчета показано, что внешнее электрическое поле индуцирует невзаимность спектра нормальных магнитных поляритонов в неограниченном гиротропном магнетике, а также оказывает существенное влияние на режимы рефракции электромагнитной волны ТМ или ТЕ типа, падающей со стороны немагнитного диэлектрика на поверхность полуограниченного гиротропного магнетика.

В частности, определены необходимые условия, при выполнении которых гиротропный магнетик обладает свойствами «левосторонней» среды, реализуются эффекты отрицательной или аномальной оптической рефракции, становится возможным эффект полного внутреннего отражения при любом угле падения.

С учетом квадратичного магнитооптического взаимодействия, изучены особенности формирования и распространения поверхностных магнитных поляритонов ТМ и ТЕ типа на границе раздела «немагнитный диэлектрик - гиротропный магнетик» во внешнем постоянном электрическом поле. Показано, что условия локализации поверхностных магнитных поляритонов ТМ и ТЕ типа зависят от взаимной ориентации векторов электрического поля и нормали к границе раздела сред.

Показано, что в тонкослойном магнитном фотонном кристалле возможно формирование зон фотонного туннелирования, когда коллективная объемная электромагнитная волна в фотонном кристалле является результатом гибридизации эванесцентных электромагнитных волн в каждом слое, формирующем рассматриваемую сверхструктуру. При этом преломленная коллективная электромагнитная волна может демонстрировать как отрицательную, так и аномальную рефракцию.

Ключевые слова: квадратичное магнитооптическое взаимодействие, поляритон, гиротропный магнетик, электрическое поле, невзаимность электромагнитной волны, одномерный магнитный фотонный кристалл, зона фотонного туннелирования, эванесцентная волна.

ABSTRACT

Kulagin D.V. Spin-wave electrodynamics of gyrotropic magnetic media in an external DC electric field. - Manuscript.

...