Хвильова акустика магнітних фононних кристалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

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

01.04.07- фізика твердого тіла

УДК 537.874; 535.2; 535.326

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

СПІН - ХВИЛЬОВА АКУСТИКА МАГНІТНИХ ФОНОННИХ КРИСТАЛІВ

Сухорукова Ольга

Сергіївна

Донецьк-2009

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

Юрченко Володимир Михайлович, завідувач відділу електронних властивостей металів Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Львов Віктор Анатолійович, професор кафедри напівпровідникової електроніки Київського національного університету ім. Тараса Шевченка.

доктор фізико-математичних наук, професор Сиркін Євген Соломонович, провідний науковий співробітник

Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І. Вєркіна.

Захист відбудеться «19» лютого 2009 року о 14-00 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 в бібліотеці Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72).

Автореферат розісланий «15» січня 2009 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.184.01, к.ф.-м.н., с.н.с. Т.М. Тарасенко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Як відомо, будь-яка хвиля характеризується фазовою та груповою швидкостями. Напрямок фазової швидкості визначає напрямок поширення хвильового фронту, тоді як групова швидкість вказує напрямок, у якому розповсюджується потік енергії, що пов'язаний із хвилею. Академік Л.І. Мандельштам вперше звернув увагу на те, що внаслідок закону збереження енергії у процесах відбиття та заломлення просторова орієнтація групової швидкості заломленої або відбитої хвилі відносно напрямку нормалі до межі розподілу середовищ не може бути повністю довільною. Що ж стосується просторової орієнтації фазової швидкості, то для неї такого обмеження не існує [1]. Для електромагнітних хвиль більш докладно цю проблему проаналізував В.Г. Веселаго на прикладі в той час гіпотетичного середовища, у якого й магнітна () й діелектрична () проникності є одночасно негативними [2]. Оскільки у цьому випадку з рівнянь Максвелла випливає, що вектори електричного поля E, магнітного поля H й хвильовий вектор k складають ліву, а не як звичайно праву трійку, то таке середовище стало називатися «лівим» (LHM), у протилежність цьому середовище, у якому одночасно >0 та >0, отримало назву «правого» (RHM). Одним з найбільш яскравих ефектів, пов'язаних із лівим середовищем, є ефект негативної оптичної рефракції на межі розподілу середовищ LHM та RHM типу: проекції на межу розподілу середовищ групових швидкостей падаючої та заломленої хвиль мають протилежні знаки [3]. На початку цього століття J.Pendry запропонував використовувати плоскопаралельний шар лівого середовища для фокусування сферичних променів з діаметром світлової плями меншим за дифракційну межу (суперлінза) [4], тоді як R. Shelby зі співробітниками вперше створив для мікрохвильового діапазону LHM композит, що складається із структурно впорядкованих розімкнених кілець та стрижнів [5]. В [6] M. Notomi довів, що ефект негативної рефракції може бути реалізований також і в «правому» середовищі, якщо воно є фотонним кристалом. Як відомо, фотонний кристал є окремим випадком композитного матеріалу, коли структурні елементи, що складають композитне середовище, мають одно-, дво- або тривимірну просторову трансляційну інваріантність. По суті, такі композитні матеріали можна розглядати як макроскопічні аналоги одновимірних (1D), двовимірних (2D) й тривимірних (3D) штучних кристалів. До основних типів подібних композитних структур у першу чергу можна віднести: 1) cистему еквідистантних ідентичних шарів (1D); 2) упорядковану гратку прямолінійних, паралельних один одному ідентичних стрижнів, розташованих у деякому середовищі (2D); 3) систему ідентичних сферичних об'єктів, просторово впорядкованих у тривимірну гратку (3D) [3]. Динаміка таких середовищ зараз активно досліджується, оскільки їх хвильові властивості можуть бути якісно іншими, ніж у структурних елементів, що входять до їхнього складу. Не в останню чергу це пов'язане з тим, що, крім додаткової трансляційної симетрії, важливою характеристикою таких композитних матеріалів є наявність суттєвого контрасту у динамічних властивостях їх структурних елементів. Якщо просторово модульованими виявляються магнітна або діелектрична сприйнятливість, то про таке середовище говорять, як про фотонний кристал [7]. Якщо ж просторово модульованими виявляються пружні параметри (щільність, пружні модулі), то таке композитне середовище називають фононним кристалом [8]. У якості параметру, що характеризує подібний контраст, може бути обраний поверхневий імпеданс (електромагнітний або пружний, відповідно) [9]. В останні роки було показано [3], що фотонний кристал типу «LHM - RHM» має цілу низку унікальних хвильових характеристик. Крім того, якщо такий фотонний кристал створено із використанням магнітних структурних елементів (магнітний фотонний кристал (МФК)), то в цьому випадку можна цілеспрямовано та у широкому діапазоні впливати на умови поширення електромагнітної хвилі за допомогою легко досяжних на практиці зовнішніх чинників (магнітне поле, температура, тиск і т.і.). Що стосується умов, за яких для акустичних хвиль можливі ефекти, аналогічні тим, що спостерігаються в МФК, то дотепер це питання не обговорювалося, незважаючи на те, що переважна частина магнітних фотонних кристалів є акустично суцільними середовищами [10], тобто такі середовища можна також розглядати і як магнітні фононні кристали. Разом з тим добре відомо [11], що вже у випадку просторово однорідного магнітного середовища, за допомогою зовнішніх полів, можна в широкому діапазоні змінювати величину окремих ефективних пружних модулів. Це дозволяє розраховувати, що в МФК зазначена властивість надасть можливість цілеспрямовано змінювати ступінь не тільки електромагнітного, але й пружного контрасту за допомогою зовнішніх полів не змінюючи складу самого магнітного композиту. Проте, незважаючи на велику кількість робіт, присвячених останнім часом теоретичному та експериментальному дослідженню умов поширення та локалізації пружних хвиль у періодичних акустично суцільних середовищах (фононних кристалах), та існуючу тісну аналогію між електродинамікою фотонних і акустикою фононних кристалів, дотепер основна увага при вивченні динаміки пружних композитних середовищ була зосереджена на аналізі виключно немагнітних структур (див., наприклад, [12]).

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана у відділі електронних властивостей металів ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України відповідно до постанов Президії НАН України по темах: «Формування й структурно-просторова еволюція в сильнонерівноважних неоднорідних металевих і метало-оксидних системах в умовах термомеханічних і електромагнітних впливів», 2003-2006 р.р., № держреєстрації 0103U005970; «Незворотні процеси й стабільність властивостей наноматеріалов», 2004-2007 р.р., № держреєстрації 0107U006333б; «Формування, еволюція й властивості сильнонерівноважних й неоднорідних нанокомпозитних систем», 2006-2009 р.р., № держреєстрації 0106U006936. Будучи в цих темах виконавцем, здобувач займалася теоретичним дослідженням властивостей магнітних фононних кристалів.

Робота підтримана стипендією НАН України для молодих вчених за 2006 -2008 р.р.

Мета й задачі дослідження. Мета даної дисертаційної роботи полягає у теоретичному дослідженні особливостей проходження та локалізації об'ємних пружних хвиль, які поширюються в обмежених одновимірних дрібношаруватих магнітних фотонних кристалах (МФК). Для досягнення цієї мети були поставлені наступні задачі:

1) розвинути метод ефективного середовища для коректного врахування у довгохвильовому наближенні впливу динамічної магнітопружної взаємодії (МПВ) на пружну динаміку одновимірних акустично гіротропних та акустично негіротропних МФК (1D МФК);

2) проаналізувати умови формування в 1D МФК об'ємних і еванесцентних зсувних пружних хвиль у залежноті від їхньої частоти та величини проекції хвильового вектора на поверхню 1D МФК;

3) теоретично вивчити індуковані динамічною МПВ аномалії рефракції нормальних об'ємних пружних хвиль (у першу чергу, зсувних), що падають на зовнішню поверхню дрібношаруватого одновимірного МФК;

4) аналітично визначити умови, за яких поблизу зовнішньої поверхні дрібношаруватого 1D МФК стає можливою локалізація зсувних поверхневих акустичних хвиль (ПАХ), як у випадку напівобмеженого 1D МФК, так і необмеженого 1D МФК з плоским немагнітним дефектом;

5) з'ясувати вплив товщини 1D МФК на структуру спектра його зсувних ПАХ;

6) вивчити можливі методи ефективного збудження знайдених типів ПАХ у дрібношаруватих 1D МФК розглянутих типів;

7) визначити умови, за яких стає можливим новий механізм безвідбивного проходження зсувної об'ємної пружної хвилі крізь обмежений дрібношаруватий 1D МФК.

Об'єктом дослідження дисертаційної роботи є одновимірні МФК типу «магнетик - ідеальний надпровідник». Традиційно такі структури вивчаються з точки зору співіснування ефектів магнетизму та надпровідності (див., наприклад, [13]). Оскільки надпровідник передбачається ідеальним (на практиці це означає, що товщина шару має бути більшою за подвоєну лондонівську глибину проникнення), то єдиним механізмом міжшарового обміну у такому 1D МФК є непряма взаємодія сусідніх магнітних шарів за рахунок поля фононів у надпровідному шарі, що їх поєднує. Як приклад магнітного середовища розглядалися моделі однопідграткового легковісного феромагнетика, двопідграткового легковісного антиферо- або феримагнетика [14].

Предметом досліджень є індуковані структурою одновимірного магнітного фононного кристала особливості поширення й рефракції зсувних акустичних хвиль за умови, що довжина пружної хвилі уздовж осі надгратки є набагато більшою за елементарний період надгратки. Передбачалося, що вісь надгратки n (нормаль до межі розподілу шарів) збігається з однією з декартових осей координат. При цьому розглядалися тільки такі геометрії, за яких є можливим незалежне поширення пружної хвилі, поляризованої ортогонально до площини свого поширення.

Методи дослідження: Відповідно до визначених цілей дослідження та обраного об'єкта дослідження розрахунок акустичних властивостей магнітних фононних кристалів проводився на підставі використання методів математичної фізики, теорії пружності, феноменологічної теорії магнетизму, а також таких добре апробованих методів фізики композитних середовищ, як метод ефективного середовища [9, 15].

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що:

· у рамках методу ефективного середовища вперше виконано коректне теоретичне дослідження впливу динамічної МПВ на характер акустичної рефракції в 1D МФК типу «магнетик - ідеальний діамагнетик (надпровідник)» з врахуванням можливої гіротропії магнітного середовища;

· сформульовано умови, за яких наявність немагнітного покриття на поверхні обмеженого 1D МФК або немагнітного дефекту в його глибині призводить до ефекту безвідбивного проходження через таку структуру об'ємної пружної хвилі SH- типу;

· вивчено умови формування й особливості спектра поверхневих й щілинних зсувних пружних хвиль першого та другого типу для напівобмеженого та обмеженого акустично гіротропного або акустично негіротропного дрібношаруватого 1D МФК.

Всі викладені вище результати є новими та отримані вперше.

Практична значимість отриманих результатів:

· вперше визначено умови, при виконанні яких за допомогою зовнішніх параметрів (частоти та кута падіння) можна керувати характером локалізації зсувної пружної хвилі, що поширюється уздовж зовнішньої поверхні 1D МФК;

· для зсувної об'ємної хвилі, що падає на зовнішню поверхню дрібношаруватої магнітної надгратки (МНГ) вперше продемонстровано існування нових режимів аномальної та від'ємної акустичної рефракції, які можуть бути керовані частотою хвильового збудження. Відзначено, що для певних магнітоакустичних конфігурацій такі режими є неможливими у випадку просторово однорідного магнітного середовища відповідного типу.

· для ефективного збудження поверхневих акустичних хвиль у композитному магнітному середовищі вперше запропоновано та теоретично досліджено акустичні аналоги схем Отто та Кречманна, які традиційно застосовуються з метою вивчення спектру поверхневих поляритонів.

Загалом отримані в дисертації результати суттєво розширюють існуючі теоретичні уявлення про динамічні властивості активно досліджуваних у цей час об'єктів - акустично суцільних магнітних фотонних кристалів, та стимулюють постановку нових теоретичних та експериментальних завдань у цьому напрямі. Крім того, вони надають теоретичне підґрунтя для цілеспрямованої розробки широкої гами пристроїв, пов'язаних з обробкою акустичних сигналів за допомогою якісно нової елементної бази - акустично суцільних магнітних фотонних кристалів.

Особистий внесок здобувача. У всіх статтях, які увійшли до дисертації [1а-9а] постановка завдань, вибір методу рішення, аналіз отриманих результатів та робота над текстом публікацій здійснювалися співавторами спільно. Теоретичні розрахунки в роботах [1а-3а, 7а] були виконані дисертантом під керівництвом наукового керівника. Аналітичні результати робіт [4а-6а, 9а] були отримані дисертантом самостійно. Дисертант брав активну участь на всіх етапах виконання досліджень, включаючи вибір моделі, розрахунок, обговорення й інтерпретацію отриманих результатів, написання наукових статей, підготовку й виступи з доповідями на конференціях і семінарах.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертації доповідалися та були опубліковані в матеріалах наступних міжнародних конференцій, шкіл, симпозіумів:

XVIII міжнародної школи - семінару «Нові магнітні матеріали для мікроелектроніки» (НМММ - XVIII, Москва, Росія, 2002); XIX міжнародної школи - семінару «Нові магнітні матеріали для мікроелектроніки» (НМММ - XIX, Москва, Росія, 2004); 2-nd Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism» (EASTMAG - 2004 Krasnoyarsk, Russia); International Conference for Students and young Scientists in Theoretical and Experimental Physics «Eureka -2005» (Lviv, 2005); Proceeding of the fifth international young scientists' conference on applied physics (Kyiv, Ukraine, 2005); Moscow International Symposium on Magnetism (MISM- 2005, Moscow, Russia); International Conference «Functional materials» ( ICFM-2005, Partenit, Crimea, Ukraine); Міжнародної наукової конференції «Актуальні проблеми фізики твердого тіла - 2005» (ФТТ-2005, Мінськ, Білорусь); XX Міжнародної школи - семінару «Нові магнітні матеріали для мікроелектроніки» ( НМММ-XX, Москва, Росія, 2006), Euro-Asian Symposium «Magnetism on a nanoscale», (EASTMAG -2007 Kazan, Russia), International Conference «Functional Materials» ( ICFM-2007 (Partenit, Crimea, Ukraine), Moscow International symposium on magnetism « MISM-2008» (Moscow, Russia), European Conference «Physics of magnetism 2008» (Poznan, Poland).

Публікації. За матеріалами проведених досліджень опубліковано 9 статей у наукових фізичних журналах [1а -9а], список яких наведений у заключній частині автореферату, також 9 тез у матеріалах міжнародних конференцій [10а - 18а].

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, переліку умовних позначок, чотирьох розділів, висновку та списку літератури. Повний об'єм роботи становить 163 сторінки (з них 153 сторінки основного тексту), у тому числі 28 малюнків по тексту дисертації (7 малюнків наведені в додатку) та списку використаної літератури з 130 найменування.

У вступі наведена актуальність обраної теми, сформульовані мета та завдання дисертації, визначені наукова новизна та практична значимість роботи, особистий внесок здобувача, викладений основний зміст роботи по розділах і підрозділах.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Перший розділ дисертації присвячений узагальненню методу ефективного середовища [9, 15] з метою коректного врахування впливу динамічної МПВ на акустичну динаміку необмеженого дрібношаруватого 1D МФК.

У підрозділі 1.1 приведений опис теоретичних моделей магнітних та ізотропного немагнітного середовищ, які розглядалися як структурні елементи 1D МФК. У якості таких були обрані: однопідграткова модель легковісного феромагнетика (ЛВ ФМ) та двопідграткові моделі легковісного антиферо- та феримагнетика (відповідно ЛВ АФМ та ЛВ ФИМ) [11, 14]. При цьому, кожне з магнітних середовищ припускалось ізотропним за своїми магнітопружними та пружними властивостями. З метою спрощення та більшої наочності розрахунків коефіцієнти Ламе магнітного та немагнітного середовищ вважались рівними ( - модуль зсуву). У підрозділі 1.2 і підрозділі 1.3, відповідно, стисло наведені схема й результати розрахунку ефективних пружних модулів для акустично негіротропного і акустично гіротропного середовищ. Вважалося, що легка магнітна вісь (OZ) та вісь надгратки n спрямовані уздовж декартових осей координат. Зокрема показано, що для акустично негіротропного двокомпонентного 1D МФК (середовище 1 - магнетик (товщина шару d1), середовище 2 - надпровідник (НП) (товщина шару d2)) матеріальні співвідношення, що визначають динаміку зсувної SH- хвилі з вектором пружних зсувів u ||OZ та частотою , для n || OX мають наступну структуру ( і - відповідно тензор пружних напружень й тензор пружних деформацій усереднені за елементарним періодом 1D МФК D = d1+d2):

де і - відповідно частки магнітної та немагнітної фаз, - ефективні динамічні пружні модулі просторово однорідного середовища =1,2. Зокрема, якщо середовище 1 - ЛВ АФМ, то для (l - рівноважний вектор антиферомагнетизму, k - хвильовий вектор уздовж напрямку поширення зсувної пружної хвилі) в (1)

;



де - частота однорідного антиферомагнітного резонансу, - магнітопружна щілина [11].

У підрозділі 1.3 досліджувалися 1D МФК типу «ЛВ ФМ - НП» і «ЛВ ФИМ - НП». Шари вважалися відносно намагніченими у своїй площині, в результаті, з урахуванням циліндричної симетрії такої структури, розглядалася наступна геометрія поширення зсувної пружної хвилі: . Розглянуто дві основні колінеарні рівноважні конфігурації магнітних моментів сусідніх магнітних шарів, що утворюють елементарний період 1D МФК: магнітні моменти паралельні один одному (конфігурація А типу) та магнітні моменти антипаралельні один одному (конфігурація В типу). У підрозділі 1.4 зокрема показано, що для конфігурації B типу при рівності товщини магнітних шарів ефект акустичної рефракції для розглянутого дрібношаруватого МФК може бути відсутнім, навіть якщо товщини або пружні властивості сусідніх пружно ізотропних немагнітних шарів, що також входять до складу елементарного періоду 1-D МФК, не є ідентичними.

У підрозділі 1.5 за допомогою отриманих в підрозділах 1.2 - 1.3. ефективних пружних модулів розрахований спектр нормальних пружних коливань необмеженого одновимірного 1D МФК для всіх вище наведених магнітоакустичних конфігурацій та випадків магнітних середовищ . Зокрема показано, що для всіх розглянутих типів дрібношаруватого 1D МФК дисперсійне співвідношення для нормальної зсувної хвилі завжди має наступну структуру (st - фазова швидкість зсувної пружної хвилі без врахування динамічної МПВ у випадку f2=1):

Наприклад, для акустично негіротропного 1D МФК, що характеризується (1) - (2), , .

У свою чергу це дало змогу вивчити також структуру перерізу поверхні хвильових векторів (ПХВ) нормальної SH - хвилі в необмеженому 1D МФК площиною падіння (сагітальною площиною).

Показано, що в певних напрямках її локальна гаусова кривизна може суттєво змінюватися (аж до зміни знаку) залежно від частоти пружної хвилі, що поширюється в дрібношаруватому 1D МФК (див. Рис.1).

Слід зазначити, що у випадку (1)-(3) за умови (це відповідає просторово однорідному ЛВ АФМ () або немагнітному середовищу 2 ()) має місце , внаслідок чого форма перерізу ПХВ нормальної об'ємної SН- хвилі замість Рис.1 завжди буде являти собою коло.

Як відомо [16], форма перерізу ПХВ нормальної хвилі в нескінченному середовищі сагітальною площиною тісно пов'язана з особливостями рефракції цього типу збуджень на межі розподілу середовищ. У зв'язку із цим у другому розділі проаналізовані особливості відбиття та заломлення об'ємних пружних хвиль, що падають на зовнішню поверхню розглянутого дрібношаруватого 1D МФК.

У підрозділі 2.1 показано, що вже у випадку напівобмеженого 1D МФК із механічно вільною поверхнею можливі інтервали кутів падіння, за яких хвильовий вектор об'ємної SH-хвилі, яка падає з глибини 1D МФК на його поверхню, утворює із внутрішньою нормаллю до поверхні МФК тупий кут (див. також Рис.1). Якщо 1D МФК є акустично гіротропним, то відбита від його механічно вільної поверхні об'ємна SH- хвиля буде мати набіг фази, внаслідок чого буде неможливим ковзання зсувної об'ємної хвилі уздовж поверхні такого МФК. Наявність на ПХВ ділянок із негативною гаусовою кривизною може суттєво вплинути також і на характер заломлення пружної хвилі, що падає ззовні на поверхню 1D МФК одного з розглянутих типів. У підрозділі 2.2 визначені умови, при виконанні яких, незалежно (у розглянутій моделі 1D МФК) від кута падіння об'ємної SH- хвилі, що падає ззовні на поверхню надгратки, буде мати місце ефект негативної акустичної рефракції, тобто проекції на межу розподілу середовищ групових швидкостей падаючої та заломленої хвиль SH - типу будуть мати протилежні знаки (див. Рис.1 та Рис.2)). Індекс 0 відноситься до немагнітного напівпростору, що межує з 1D МФК.

Також доведено, що коли одночасно та , то (у розглянутій моделі 1D МФК) при має місце ефект повного акустичного внутрішнього відбиття (ПВВ), тоді як при створюються умови для виникнення аномальної акустичної рефракції об'ємних зсувних хвиль: падаюча та відбита від межі розподілу «немагнітне середовище - 1D МФК» хвилі SH-типу мають різні за знаком проекції фазових швидкостей на напрямок внутрішньої нормалі до поверхні 1D МФК (див. Рис. 3).

У наступному підрозділі 2.3 проаналізовані умови виникнення режиму безвідбивного проходження та ефекту акустичного ПВВ для об'ємної SH-хвилі, що падає з ізотропного немагнітного середовища на межу розподілу двох напівпросторів: «немагнітне середовище - дрібношаруватий 1D МФК». Контакт середовищ передбачається акустично суцільним (межа типу «твердої склейки»). Із цією метою, для всіх зазначених вище типів 1D МФК та можливих магнітоакустичних конфігурацій на площині зовнішніх параметрів - k визначені області формування еванесцентних зсувних пружних хвиль (у випадку (3) це відповідає умові ). Одночасно зазначені також ті області, для яких режим безвідбивного проходження зсувної об'ємної хвилі крізь межу розподілу «1D МФК - немагнітне середовище» стає принципово можливим.

Щоб вивчити достатні умови безвідбивного проходження зсувної об'ємної хвилі крізь межу розподілу двох півпросторів «дрібношаруватий 1D МФК - немагнітне середовище» для всіх можливих магнітоакустичних конфігурацій та варіантів 1D МФК розраховано амплітудний коефіцієнт відбиття об'ємної зсувної хвилі, що падає ззовні на поверхню 1D МФК. Показано, що достатні умови формування режиму безвідбивного проходження крізь межу розподілу «немагнітне середовище - дрібношаруватий 1D МФК» можуть бути в принципі реалізовані тільки для акустично негіротропного МФК тобто 1D МФК типу «ЛВ АФМ - НП» або «ЛВ ФМ (ЛВ ФИМ) - НП» з конфігурацією В типу. Що ж стосується акустично гіротропного 1D МФК, то для нього коефіцієнт відбиття падаючої ззовні об'ємної хвилі завжди (у рамках обраної моделі) буде мати уявну частину, тобто при будь-яких значеннях та k коефіцієнт відбиття ніколи не буде точно дорівнювати нулю. Якщо частота й хвильове число падаючої ззовні на поверхню 1D МФК зсувної об'ємної хвилі дозволяють збуджувати в магнітному композиті зсувну еванесцентну хвилю, то ефект акустичного повного внутрішнього відбиття (ПВВ) реалізується незалежно від характеру акустичної гіротропії. Однак у випадку акустично гіротропного 1D МФК ефект акустичного ПВВ буде мати невзаємність щодо інверсії знака кута падіння зсувної об'ємної хвилі на поверхню 1D МФК. Оскільки в умовах ПВВ має місце набіг фази відбитої об'ємної SH - хвилі у порівнянні з падаючою зсувною хвилею, то це створює передумови виникнення для хвильового пучка цього типу коливань ефекту Шоха: поздовжнього зміщення центра ваги хвильового пучка після відбиття уздовж межі розподілу середовищ [9]. Аналізу цього ефекту присвячений підрозділ 2.4. Зокрема розрахунок показав, що для акустично гіротропного 1D МФК з конфігурацією А-типу зсув відбитого пучка також буде демонструвати невзаємність щодо інверсії знаку кута падіння. До того ж, зсув пучка об'ємних хвиль SH- типу є можливим навіть у випадку його падіння на механічно вільну поверхню дрібношаруватого МФК із глибини композитного матеріалу.

З теорії хвильових процесів у шаруватих середовищах відомо [9], що полюс коефіцієнта відбиття визначає закон дисперсії поверхневого збудження, що відповідає даному типу нормальної об'ємної хвилі. На цій підставі в третьому розділі в рамках методу ефективного середовища вивчені умови локалізації зсувної об'ємної хвилі (ПАХ), що поширюється уздовж зовнішньої поверхні 1D МФК у разі:

1) напівобмеженого 1D МФК, що має твердий або ковзний контакт із немагнітним пружно ізотропним середовищем;

2) необмеженого 1D МФК із немагнітним дефектним прошарком (магнітна сандвіч структура).

У підрозділі 3.1 показано, що поблизу механічно вільної поверхні акустично гіротропного дрібношаруватого 1D МФК з конфігурацією А - типу можливе формування зсувної поверхневої акустичної хвилі (ПАХ) у тих областях на площині зовнішніх параметрів - k, за яких, як було показано у підрозділі 2.1, існує зсувна еванесцентна хвиля. При цьому, внаслідок гіротропії, закон дисперсії такої поверхневої хвилі s(k) (k - хвильове число ПАХ) також демонструє невзаємність: s(k) ? s(-k). Відповідна дисперсійна крива не має довгохвильової точки закінчення, і тому, керуючись аналогією з теорією поверхневих поляритонів [17], вона може бути названа зсувною ПАХ першого типу. Вплив немагнітного покриття, що має акустично суцільний контакт із поверхнею напівобмеженого 1D МФК за умови локалізації зсувної пружної хвилі поблизу межі розподілу двох вказаних півпросторів вивчено у підрозділі 3.2. Зокрема, для магнітоакустичної конфігурації дисперсійне співвідношення для зсувної ПАХ, локалізованої на межі розподілу «негіротропний 1D МФК - немагнітне середовище» з врахуванням (1)-(3) має наступний вигляд (, µ0 та s0 - коефіцієнт Ламе та фазова швидкість зсувної пружної хвилі в немагнітному середовищі):

;



Розрахунок показав, що для акустично негіротропного дрібношаруватого МФК типу «ЛВ АФМ - НП» або «ЛВ ФМ - НП» з конфігурацією B- типу стає можливим формування поблизу зовнішньої поверхні МФК зсувної ПАХ, дисперсійна крива якої на площині - k може мати короткохвильову точку закінчення (див.Рис.4). Слідуючи аналогії з теорією поверхневих поляритонів [17], така ПАХ SH - типу при може бути названа зсувною ПАХ другого типу (або віртуальною зсувною ПАХ).

Слід зазначити, що у випадку акустично гіротропного 1D МФК, при наявності немагнітного покриття, деякі гілки спектру ПАХ першого типу можуть перетворюватися на ПАХ другого типу.

Підрозділ 3.3 пов'язаний з аналізом особливостей поширення об'ємної зсувної хвилі в необмеженому 1D МФК, що має дефектний немагнітний шар. Визначено умови, за яких у такій структурі формується щілинний тип зсувних пружних хвиль, локалізованих поблизу немагнітного дефекту. Вивчено дисперсійні властивості цього типу пружних збуджень, зокрема, досліджений зв'язок між кількістю гілок у спектрі щілинної хвилі та товщиною немагнітного дефекту. Зокрема показано, що для заданого хвильового вектора, залежно від товщини дефекту, кількість гілок у спектрі зсувної щілинної ПАХ може змінюватися від нуля до двох. Дотримуючись аналогії з динамікою поляритонних збуджень, у підрозділі 3.4 запропонований та вивчений акустичний аналог схеми Отто [17] з метою збудження досліджених вище типів зсувних ПАХ. Зокрема розглянута акустично суцільна структура, що представляє собою напівобмежене просторово однорідне пружно-ізотропне немагнітне середовище (середовище 0), напівобмежений дрібношаруватий 1D МФК одного з вище розглянутих типів (середовище а) та немагнітний пружно-ізотропний шар (середовище b), що поєднує ці два півпростори. За своїми акустичними властивостями середовище а повинне бути більш твердим, ніж немагнітний півпростір (середовище а) і менш твердим, ніж немагнітний прошарок (середовище b). Для такої структури був розрахований амплітудний коефіцієнт проходження зсувної об'ємної хвилі, що падає із глибини немагнітного півпростору на поверхню немагнітного прошарку. Показано, що він може мати максимум для тих співвідношень параметрів та k, які для цієї магнітоакустичної конфігурації задовольняють закону дисперсії вище знайдених типів зсувної ПАХ, що поширюється уздовж акустично суцільної межі розподілу «напівобмежений 1D МФК - напівобмежене немагнітне середовище (b)». Цей ефект має місце як для акустично гіротропного, так й для акустично негіротропного 1D МФК. Якщо товщина шару наближається до нуля, то даний ефект зберігається тільки у випадку акустично гіротропного 1D МФК. Однак тепер коефіцієнт проходження може мати максимум для тих сполучень зовнішніх параметрів - k, які при даній геометрії задовольняють закону дисперсії знайденого вище типу зсувної ПАХ, що поширюється уздовж механічно вільної межі поверхні напівобмеженого акустично гіротропного 1D МФК.

Безсумнівний практичний інтерес представляє також аналіз впливу кінцевих розмірів реальної магнітної надгратки на акустичну динаміку одновимірного магнітного фононного кристалу. У зв'язку із цим у четвертому розділі вивчені аномалії поширення й проходження об'ємних зсувних хвиль крізь обмежену дрібношарувату магнітну надгратку. У підрозділі 4.1 проаналізовані умови проходження об'ємної зсувної хвилі крізь обмежений дрібношаруватий 1D МФК (товщиною d), що має суцільний акустичний контакт із навколишнім просторово однорідним немагнітним середовищем. Зокрема досліджений випадок, коли напівобмежені пружно - ізотропні немагнітні середовища, що межують із кінцевим МФК, мають різний пружний імпеданс, причому одне з середовищ є акустично більш м'яким, ніж друге. Розрахунок показав, що для об'ємної зсувної хвилі, що падає на поверхню розглянутого обмеженого 1D МФК з акустично м'якого немагнітного середовища, коефіцієнт відбиття буде мати максимум для тих співвідношень зовнішніх параметрів - k, які при даній геометрії задовольняють закону дисперсії знайденого вище типу зсувної ПАХ, що поширюється уздовж акустично суцільної межі розподілу «1D МФК - напівобмежене акустично тверде немагнітне середовище». Така структура є акустичним аналогом схеми Кречманна, яка використовується в оптиці для вивчення спектру поверхневих поляритонів [17].

Відповідно до загальних положень теорії хвильових процесів у шаруватих структурах [9], для всіх знайдених у підрозділі коефіцієнтів відбиття, при переході в комплексну площину полюси будуть визначати закон дисперсії ПАХ, що поширюються в розглянутому обмеженому 1D МФК, обидві зовнішні поверхні якого мають акустично суцільний контакт із напівобмеженим немагнітним середовищем. Аналізу цих дисперсійних властивостей присвячений підрозділ 4.2. У ньому, зокрема, показано, що для заданого значення хвильового числа кількість гілок у спектрі гіперболічних зсувних хвиль подвоюється (див. Рис.5) у порівнянні із випадком напівобмеженого 1D МФК.

Слід зазначити, що дисперсійні криві цих зсувних ПАХ на площині зовнішніх параметрів - k розташовуються в тих областях, які відповідають умовам повного відбиття об'ємної зсувної хвилі, що падає ззовні на поверхню навіть напівобмеженого акустичного 1D МФК (гіротропного або негіротропного).

Зокрема, у випадку (1)-(3) дисперсійне рівняння для спектра ПАХ SH- типу, що поширюється уздовж структури типу «обмежений негіротропний 1D МФК - ідеальний надпровідник», зануреної в немагнітне середовище з коефіцієнтом Ламе µ0, можна, з урахуванням позначень (4), представити у вигляді: магнітний еванесцентний хвиля акустичний

Умови, за яких у випадку акустично негіротропного дрібношаруватого 1D МФК можна реалізувати режим безвідбивного проходження зсувної об'ємної хвилі, вивчені в підрозділі 4.3. Зокрема показано, що якщо обмежений акустично негіротропний 1D МФК товщиною d має однобічне пружно-ізотропне (коефіцієнт Ламе µ0) немагнітне покриття товщини t, то, за умови певного сполучення параметрів - k, падаюча ззовні на таку структуру об'ємна зсувна хвиля буде зазнавати безвідбивне проходження. Фізичним механізмом, відповідальним за цей ефект, є збудження зсувної ПАХ на межі розподілу «1D МФК - немагнітне покриття». У цьому ж підрозділі показано, що безвідбивне проходження зсувної об'ємної хвилі можливе також у випадку обмеженого негіротропного 1D МФК, що має внутрішній «дефектний» немагнітний шар товщиною t. В обох випадках необхідно, щоб частота та кут падіння (k) одночасно задовольняли наступним умовам

Перше з вказаних співвідношень відповідає закону дисперсії зсувної ПАХ на межі розподілу двох напівпросторів типу «1D МФК - немагнітне покриття», а друге вимагає, щоб набіг фази зсувної еванесцентної хвилі в обмеженому МФК та його немагнітному покритті був однаковий.

ВИСНОВКИ

1. На підґрунті послідовного врахування динамічної магнітопружної взаємодії розвинений метод ефективного середовища для опису пружної динаміки дрібношаруватих 1D МФК типу «магнетик - ідеальний діамагнетик». Як приклад магнітного середовища розглядався легковісний феромагнетик, легковісний двопідгратковий феримагнетик та обмінно - колінеарний антиферомагнетик.

2. Знайдена низка нових особливостей відбиття об'ємної зсувної хвилі від механічно вільної зовнішньої поверхні дрібношаруватого акустично гіротропного 1D МФК, таких, як ефект ПВВ й набіг фази при будь-якому куті падіння, ефект Шоха, невзаємність, які відсутні в тих же умовах у випадку акустично негіротропного 1D МФК.

3. На основі аналізу форми перерізу ПХВ нормальної пружної хвилі в 1D МФК сагітальною площиною вперше визначені необхідні умови для реалізації аномальної та негативної акустичної рефракції, досліджений їх зв'язок з характером поляризації пружної хвилі.

4. Сформульовано умови формування поблизу механічно вільної поверхні 1D МФК або на межі розподілу «1D МФК - немагнітне середовище» однопарціальної зсувної ПАХ першого та другого типу. Зокрема, необхідно, щоб частка магнітної фази була більша за частку немагнітної.

5. Вивчено умови локалізації зсувної хвилі, яка розповсюджується у нескінченному гіротропному або негіротропному дрібношаруватому 1D МФК із немагнітним дефектом (зсувні щілинні акустичні хвилі), та доведено, що кількість гілок у спектрі знайдених ПАХ може змінюватися від нуля до двох залежно від товщини немагнітного дефекту.

6. Для резонансного збудження знайдених типів зсувних ПАХ у дрібношаруватому 1D МФК запропоновані та теоретично проаналізовані акустичні аналоги оптичних схем Отто та Кречманна.

7. Для структури типу 1D МФК із однобічним немагнітним покриттям або 1D МФК із немагнітним дефектом, у рамках методу ефективного середовища, знайдені умови, за яких стає можливим безвідбивне проходження об'ємної зсувної хвилі (посилення еванесцентних зсувних акустичних хвиль).

ПЕРЕЛІК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Мандельштам Л.И. Групповая скорость в кристаллической решетке / Мандельштам Л.И. // Полное собрание трудов. Т. IV. - М.: Изд-во АН СССР, 1955. -- С. 511.

2. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями е и м /В.Г. Веселаго // УФН.-1967.- Т. 92, № 7.- С. 517-526.

3. Joannopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn Photonic Crystals. Molding the Flow of Light / Joannopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn // Second Edition. Princeton University, 2008.p.305.

4. Pendry J.B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens / J.B. Pendry // Phys.Rev.Lett.- 2000.-Vol. 85.- P.3966-3969.

5. Shelby R.A., Smith D. R., Schultz S. Experimental verification of a negative index of refraction / R.A. Shelby, D. R. Smith, S. Schultz // Science.- 2001.-Vol. 292, P. 77-79.

6. Notomi M. Theory of light propagation in strongly modulated photonic crystals: reflactionlike behavior in the vicinity band gap / M. Notomi // Phys.Rev.B.-2000.-Vol.62, №16.-P.10696-10705.

7. Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission / E. Yablonovitch // Phys. Rev. Lett.-1987.-Vol.58., № 20.-P. 2059-2062.

8. Kushwava M.S., Halevi P., Dobrzynski L. Acoustic Band Structure of Periodic Elastic Composites / M.S. Kushwava, P. Halevi, L. Dobrzynski // Phys. Rev. Lett. 1993.- Vol. 71, № 13.- P. 2022-2025.

9. Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред / Л.М. Бреховских, O. Годин. - М.: Наука, 1989.- 487 с.

10. Lyubchanskii I.L. Magnetic Photonic Crystals / I.L. Lyubchanskii, N.N. Dadoenkova, M.I. Lyubchanskii [et al.] // J.Phys.D: Appl. Phys.-2003.-Vol. 36, № 18.-P.277-287.

11. Туров Е.А., Шавров В.Г. Нарушенная симметрия и магнитоакустические эффекты в ферро- и антиферромагнетиках / Е. Туров, В. Шавров // УФН.- 1983.-Т. 140, №3.- С.429-462.

12. Sukhovich A. Wave phenomena in Phononic Crystals: a Thesis for a competition of Doctor of Philosophy degree / Department of Physics and Astronomy Univ. of Manitoba, Winnipeg, Canada.-2007.-234 p.

13. Изюмов Ю.А. Конкуренция сверхпроводимости и магнетизма в гетероструктурах ферромагнетик/сверхпроводник / Ю.А. Изюмов, Ю.Н. Прошин, М.Г. Хусаинов // УФН.- 2002.-Т.172, №2.-С. 113-154.

14. Гуревич А.Г. Магнитные колебания и волны / А. Гуревич, Г. Мелков - М.: Наука, 1994. - 462с.

15. Рытов С.М. Акустические свойства мелкослоистой среды / С.М. Рытов // Акуст.журн. - 1956.- Т.2., №1. - С.72- 79.

16. Сиротин Ю.И. Основы кристаллофизики / Ю.И. Сиротин, М.П. Шаскольская.- М.: Наука, 1979.- 639 с.

17. Поверхностные поляритоны. Поверхностные электромагнитные волны на границах раздела сред / [Под ред. Аграновича В.М., Миллса Д.Л.]- М.: Наука, 1985.- 526 с.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1а. Тарасенко О.С. Эффект отрицательной акустической рефракции в одномерном фононном кристалле / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // Письма в ЖЭТФ.- 2004. -Т.80, №7.- С.551-554.

2а. Тарасенко О.С. Особенности локализации поперечной упругой волны в полуограниченной акустической сверхрешетке из ферримагнитных и сверхпроводящих слоев I. Граница скольжения / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // Акустический журнал.- 2004.- Т.50, №5.- С.699-708.

3а. Тарасенко О.С. Особенности локализации поперечной упругой волны в полуограниченной акустической сверхрешетке из ферримагнитных и сверхпроводящих слоев II. Эффекты немагнитного покрытия / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // Акустический журнал.-2004.-Т.50, №6.-С.833-843.

4а. Тарасенко О.С. Особенности распространения сдвиговой упругой волны в акустической сверхрешетке типа магнетик - идеальный диамагнетик: условия локализации / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // ФТТ.- 2004.- Т.46, №11.- С.2033-2039.

5а. Тарасенко О.С. Особенности распространения сдвиговой упругой волны в акустической сверхрешетке типа магнетик - идеальный диамагнетик: коэффициент отражения / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // ФТТ.- 2004.- Т.46, №12.- С.2200-2205.

6а. Тарасенко О.С. Особенности прохождения сдвиговой упругой волны через ограниченную мелкослоистую сверхрешетку типа «магнетик - идеальный диамагнетик» / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // ФТТ.- 2005.- Т.47, №3.- С.556-564.

7а. Тарасенко О.С. Особенности локализации поперечной упругой волны в полуограниченной акустической сверхрешетке из ферримагнитных и сверхпроводящих слоев III. Вытекающие поверхностные моды и связанные с ними резонансы / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // Акустический журнал.-2006.-Т.52, № 4.-С.539-548.

8а. Тарасенко О.С. Сдвиговая упругая волна в акустически негиротропной сверхрешетке типа «магнетик - сверхпроводник».I. Условия локализации / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // Кристаллография.-2006.-Т.51, №2.- С. 331-337.

9а. Тарасенко О.С. Сдвиговая упругая волна в акустической сверхрешетке типа «антиферромагнетик - сверхпроводник».II. Особенности отражения / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // Кристаллография.-2006.-Т.51, №3.- С. 512-518.

10а. Тарасенко О.С. Особенности локализации сдвиговых поверхностных магнитоупругих волн вблизи границы раздела магнитной и сверхпроводящей / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // XIX международная школа - семинар «Новые магнитные материалы для микроэлектроники» (НМММ-ХХ), 24 -28 июня 2004 г.: тезисы докл.- Москва, 2002.- С. 766-768.4.

11а. Тарасенко О.С. Особенности распространения и локализации сдвиговой упругой волны в мелкослоистой акустической магнитной сверхрешетки / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // XIX международная школа - семинар «Новые магнитные материалы для микроэлектроники» (НМММ-ХХ), 24 -28 июня 2004 г.: тезисы докл.-Москва, 2004.- С. 261-262.

12а. Tarasenko O.S. Peculiarities of the shift acoustical wave propagation near the surface of magnetic superlattice / O.S. Tarasenko, S.V. Tarasenko, V.M. Yurchenko // 2-nd European Symposium «Trends in magnetism» (EASTMAG - 2004), 24 -27 August, 2004: abstr. book - Krasnoyarsk, 2004.- P. 205.

13а. Tarasenko O.S. The peculiarities of acoustic refraction of 1D magnetic phononic crystal / O.S. Tarasenko, S.V. Tarasenko, V.M. Yurchenko // Fifth international young scientists conference on applied physics, 20-24 June 2005: abstr. book - Кyiv, 2005.-P.74.

14а. Tarasenko O.S. The negative acoustic refraction of 1D magnetic phononic crystal / O.S. Tarasenko, S.V. Tarasenko, V.M. Yurchenko // Moscow International Symposium on Magnetism «MISM-2005»: International conference, 25 -30 June 2005: abstr. book - Мoscow, 2005.- P.104.

15а. Tarasenko O.S. The peculiarities of the acoustic refraction for the 1D magnetic phononic crystal / O.S. Tarasenko, S.V. Tarasenko, V.M. Yurchenko // International Conference “Functional materials” (ICFM-2005), 3-8 October 2005: abstr. book - Crimea, Partenit, 2005.-P.186.

16а. Тарасенко О.С. Особенности прохождения сдвиговой упругой волны через ограниченный одномерный магнитный фононный кристалл / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // Международная научная конференция «Актуальные проблемы физики твердого тела» (ФТТ - 2005), 26-28 окт.: тезисы докл. - Минск, 2005.- Т.1. С 69-70.

17а. Тарасенко О.С.Акустическая прозрачность одномерного магнитного фононного кристалла / О.С. Тарасенко, С.В. Тарасенко, В.М. Юрченко // XX международная школа - семинар «Новые магнитные материалы для микроэлектроники» (НМММ-ХХ), 12 -16 июня 2006 г.: тезисы докл.-Москва, 2006.- С. 384-386.

18а. Tarasenko O.S. The amplification of evanescent acoustic wave by means of 1-D magnetic photonic crystals // O.S. Tarasenko, S.V. Tarasenko, V.M. Yurchenko // Moscow International Symposium on Magnetism «MISM - 2008»: International conference, 20-25 June 2008: abstr. book - Moscow, 2008.-P.94.

АНОТАЦІЯ

Сухорукова О.С. Спін - хвильова акустика магнітних фононних кристалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна, Національна академія наук України, Донецьк, 2009.

У дисертації на прикладі одновимірних магнітних фононних кристалів (1D МФК) типу «магнетик - ідеальний діамагнетик (надпровідник)» були досліджені умови поширення та локалізації пружних хвиль. У якості магнітного середовища було розглянуто моделі легковісних однопідграткового феромагнетика, двопідграткових антиферомагнетика та феримагнетика. У роботі вперше проведено узагальнення методу ефективного середовища з метою коректного врахування впливу динамічної магнітопружної взаємодії на акустичну динаміку одновимірних акустично гіротропних та акустично негіротропних 1D МФК у довгохвильовому наближенні. На цьому підґрунті теоретично визначені умови, за яких стає можливим виникнення цілої низки нових аномалій в умовах відбиття та заломлення зсувної об'ємної хвилі, що падає на зовнішню поверхню дрібношаруватого 1D МФК (це, зокрема, стосується ефектів негативної та аномальної акустичної рефракції, ефекту повного внутрішнього відбиття, ефекту Шоха і т.і.). Вперше досліджено умови локалізації поверхневих зсувних акустичних хвиль на межі розподілу «1D МФК - немагнітне середовище” з врахуванням кінцевих розмірів реального 1D МФК. З метою експериментального вивчення цього типу поверхневих збуджень у магнітних надгратках були запропоновані та теоретично досліджені акустичні аналоги широко використовуваних в оптиці схем Отто та Кречманна. Знайдено умови для можливого формування нового механізму безвідбивного проходження зсувної об'ємної пружної хвилі скрізь дрібношаруватий 1D МФК (ефект посилення еванесцентних зсувних хвиль).

Ключові слова: ефективне середовище, магнiтопружна взаємодія, магнітний фононний кристал, еванесцентна пружна хвиля, рефракція.

Сухорукова О.С. Спин - волновая акустика магнитных фононных кристаллов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина, Национальная академия наук Украины, Донецк, 2009.

В диссертации на примере одномерных магнитных сверхрешеток типа «легкоосный ферромагнетик - сверхпроводник», «легкоосный антиферромагнетик - сверхпроводник», «легкоосный ферримагнетик - сверхпроводник» исследовано влияние магнитных и акустических свойств среды на условия распространения и локализации сдвиговых объемных волн в одномерных двухкомпонентных магнитных фононных кристаллах (1D МФК). Рассмотрен случай как акустически гиротропного, так и акустически негиротропного 1D МФК. Развит метод эффективной среды для корректного учета в длинноволновом приближении эффектов динамического магнитоупругого взаимодействия в упругой динамике одномерных акустически гиротропных и акустически негиротропных МФК. Для каждого типа рассматриваемого 1D МФК исследована частотная дисперсия эффективных упругих модулей и их зависимость от структуры МФК. Найдена связь между частотной дисперсией эффективных упругих модулей и формой сечения поверхности волновых векторов (ПВВ), которая описывает кинематику отраженной (преломленной) волны заданной поляризации. Рассмотрены случаи: 1) полуограниченного 1D МФК с различными типами граничных условий (механически свободная, граница типа скольжения, жестко закрепленная), 2) магнитной сэндвич - структуры, 3) ограниченного 1D МФК, 4) неограниченного МФК с немагнитным дефектом. В частности, исследованы особенности отражения и прохождения сдвиговой объемной волны, падающей как изнутри мелкослоистого 1D МФК, так и извне на поверхность рассматриваемой структуры. Определен ряд новых особенностей отражения объемной сдвиговой волны от механически свободной внешней поверхности мелкослоистого акустически гиротропного 1D МФК. В частности к ним относятся: эффект полного внутреннего отражения, набег фазы при любом угле падения, эффект Шоха, невзаимность. Перечисленные эффекты отсутствуют при выполнении тех же условий в случае, когда рассматриваемый 1D МФК не обладает акустической гиротропией. Впервые определены индуцированные магнитоупругим взаимодействием условия, при выполнении которых на границе раздела «1D МФК -немагнитная среда» становится возможным формирование эффектов отрицательной и аномальной акустической рефракции. Найдены зависимости формы сечения ПВВ от частоты в случае возникновения эффекта акустического двулучепреломления без изменения ветви. С учетом эффектов акустической гиротропии теоретически предсказаны условия локализации сдвиговой объемной волны, распространяющейся вдоль границы раздела «мелкослоистый 1D МФК - немагнитная среда», как для акустически сплошной границы раздела, так и для границы скольжения. С целью эффективного возбуждения найденных типов поверхностных акустических волн в одномерных мелкослоистых МФК рассматриваемых типов предложены и проанализированы акустические аналоги широко используемых в оптике схем Отто и Кречманна. Впервые указаны условия формирования нового механизма безотражательного прохождения сдвиговой объемной упругой волны через ограниченный мелкослоистый 1D МФК (эффект усиления сдвиговых эванесцентных волн).

Ключевые слова: эффективная среда, магнитоупругое взаимодействие, магнитный фононный кристалл, эванесцентная упругая волна, рефракция.

Sukhorukova O.S. Spin - wave acoustics of the magnetic phononic crystals. - Manuscript.

...