Доменная стена (магнетизм)

Доменная стенка — это термин, используемый в физике , который может иметь аналогичные значения в магнетизме , оптике или теории струн . Все эти явления можно в общих чертах описать как топологические солитоны , которые возникают всякий раз, когда дискретная симметрия нарушается спонтанно . ^[1]

Магнетизм

В магнетизме доменная стенка представляет собой границу раздела магнитных доменов . Это переход между различными магнитными моментами , который обычно подвергается угловому смещению на 90 ° или 180 °. Доменная граница — это постепенная переориентация отдельных моментов на конечном расстоянии. Толщина доменной стенки зависит от анизотропии материала, но в среднем составляет около 100–150 атомов.

Энергия доменной стенки — это просто разница между магнитными моментами до и после создания доменной стенки. Эта величина обычно выражается как энергия на единицу площади стены.

Ширина доменной границы изменяется за счет двух противоположных энергий, которые ее создают: энергии магнитокристаллической анизотропии и обменной энергии ( $J_{\mathrm {ex} }$ ), оба из которых имеют тенденцию быть как можно более низкими, чтобы находиться в более благоприятном энергетическом состоянии. Энергия анизотропии минимальна, когда отдельные магнитные моменты ориентированы по осям кристаллической решетки, что уменьшает ширину доменной стенки. И наоборот, обменная энергия уменьшается, когда магнитные моменты выравниваются параллельно друг другу и, таким образом, делают стенку толще из-за отталкивания между ними (когда антипараллельное выравнивание сближает их, что приводит к уменьшению толщины стенки). В конце концов между ними достигается равновесие, и ширина доменной стенки устанавливается как таковая.

Идеальная доменная стенка была бы полностью независимой от положения, но структуры не идеальны и поэтому застревают в местах включений внутри среды, также известных как кристаллографические дефекты . К ним относятся отсутствующие или другие (чужеродные) атомы, оксиды, изоляторы и даже напряжения внутри кристалла. Это предотвращает образование доменных стенок, а также тормозит их распространение в среде. Таким образом, для преодоления этих мест требуется более сильное приложенное магнитное поле.

Отметим, что магнитные доменные границы являются точными решениями классических нелинейных уравнений магнетиков ( модель Ландау–Лифшица , нелинейное уравнение Шрёдингера и т. д.).

Симметрия мультиферроикных доменных стенок

Поскольку доменные границы можно рассматривать как тонкие слои, их симметрия описывается одной из 528 групп магнитных слоев. ^[2]^[3] Для определения физических свойств слоя используется континуальное приближение, которое приводит к точечным группам слоев. ^[4] Если операцию непрерывного перевода рассматривать как тождество , эти группы преобразуются в группы магнитных точек . Было показано ^[5] что таких групп 125. Было обнаружено, что если магнитная точечная группа является пироэлектрической и/или пиромагнитной , то доменная стенка несет поляризацию и/или намагниченность соответственно. ^[6] Эти критерии были выведены из условий возникновения однородной поляризации. ^[7]^[8] и/или намагниченность . ^[9]^[10] После их применения к любой неоднородной области они предсказывают существование четных частей в функциях распределения параметров порядка. Идентификация остальных нечетных частей этих функций была сформулирована ^[11] основанный на преобразованиях симметрии, связывающих домены . Классификация симметрии магнитных доменных стенок содержит 64 магнитные точечные группы . ^[12]

Схематическое изображение открепления доменной стенки

Предсказания структуры мультиферроидных доменных стенок, основанные на симметрии, были доказаны с использованием феноменологической связи через намагниченность. ^[13] и/или поляризация ^[14] пространственные производные ( флексомагнитоэлектрические ). ^[15]

Депиннинг доменной стены

Немагнитные включения в объеме ферромагнитного материала или дислокации в кристаллографической структуре могут вызвать «закрепление» доменных стенок (см. анимацию). Такие места закрепления заставляют доменную стенку находиться в локальном минимуме энергии, и требуется внешнее поле, чтобы «открепить» доменную стенку из ее закрепленного положения. Акт открепления вызовет внезапное движение доменной стенки и внезапное изменение объема обоих соседних доменов; это вызывает шум Баркгаузена .

Виды стен

Стена Блоха

Стенка Блоха — это узкая переходная область на границе между магнитными доменами , в которой намагниченность изменяется от своего значения в одном домене до значения в следующем, названная в честь физика Феликса Блоха . В доменной границе Блоха намагниченность вращается вокруг нормали к доменной границе. Другими словами, намагниченность всегда направлена вдоль плоскости доменной стенки в трехмерной системе, в отличие от доменных стенок Нееля.

Блоховские доменные границы возникают в объемных материалах, т.е. когда размеры магнитного материала значительно превышают ширину доменной границы (согласно определению ширины Лилли ^[16]). В этом случае энергия поля размагничивания не влияет на микромагнитную структуру стенки. Возможны и смешанные случаи, когда поле размагничивания изменяет магнитные домены ( направление намагниченности в доменах), но не доменные стенки. ^[17]

Стена Нееля

Стенка Нееля — узкая переходная область между магнитными доменами , названная в честь французского физика Луи Нееля . В стенке Нееля намагниченность плавно вращается от направления намагниченности внутри первого домена к направлению намагниченности внутри второго. В отличие от стенок Блоха, намагниченность вращается вокруг линии, ортогональной нормали к доменной границе. Другими словами, он вращается так, что указывает на плоскость доменной стенки в трехмерной системе. Он состоит из ядра с быстро меняющимся вращением, где точки намагничивания почти ортогональны двум доменам, и двух хвостов, где вращение логарифмически затухает. Стенки Нееля — это распространенный тип магнитной доменной границы в очень тонких пленках, где обменная длина очень велика по сравнению с толщиной. Без магнитной анизотропии стенки Нееля распространились бы по всему объему.

См. также

Ссылки

^ С. Вайнберг, Квантовая теория полей , Том. 2. Глава 23, Издательство Кембриджского университета (1995).
^ Н. Н. Неронова; Н. В. Белов (1961). «Цветная антисимметрия мозаики». 6 . Советская физика – Кристаллография: 672–678. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Литвин, Дэниел Б. (1999). «Магнитные субпериодические группы». Acta Crystallographica Раздел А. 55 (5): 963–964. дои : 10.1107/S0108767399003487 . ISSN 0108-7673 . ПМИД 10927306 .
^ Копский, Войтех (1993). «Трансляционные нормализаторы евклидовых групп. I. Элементарная теория». Журнал математической физики . 34 (4): 1548–1556. Бибкод : 1993JMP....34.1548K . дои : 10.1063/1.530173 . ISSN 0022-2488 .
^ Пршивратска, Ю.; Шапаренко Б.; Яновец, В.; Литвин, Д.Б. (2010). «Симметрии групп магнитных точек спонтанно поляризованных и / или намагниченных доменных стенок». Сегнетоэлектрики . 269 (1): 39–44. дои : 10.1080/713716033 . ISSN 0015-0193 . S2CID 202113942 .
^ Пршивратска, Ю.; Яновец, В. (1999). «Спонтанная поляризация и/или намагниченность в несегнетоупругих доменных границах: предсказания симметрии». Сегнетоэлектрики . 222 (1): 23–32. дои : 10.1080/00150199908014794 . ISSN 0015-0193 .
^ Уокер, МБ; Гудинг, Р.Дж. (1985). «Свойства доменных границ Дофине-двойника в кварце и берлините». Физический обзор B . 32 (11): 7408–7411. Бибкод : 1985PhRvB..32.7408W . дои : 10.1103/PhysRevB.32.7408 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 9936884 .
^ П. Сен-Гркгуар и В. Яновец, в конспектах лекций по физике 353, Нелинейные когерентные структуры, в: М. Барт и Ж. ЛКон (ред.), Springer-Verlag, Берлин, 1989, стр. 117.
^ L. Shuvalov, Sov. Phys. Crystallogr. 4 (1959) 399
^ Л. Шувалов, Современная кристаллография IV: физические свойства кристаллов, Springer, Берлин, 1988.
^ В.Г. Барьяхтар; В.А. Львов; Д.А. Яблонский (1983). «Неоднородный магнитоэлектрический эффект» (PDF) . Письма ЖЭТФ . 37 (12): 673–675.
^ Таныгин Б.М.; Тычко, О.В. (2009). «Магнитная симметрия плоских доменных границ в ферро- и ферримагнетиках». Физика Б: Конденсированное вещество . 404 (21): 4018–4022. arXiv : 1209.0003 . Бибкод : 2009PhyB..404.4018T . дои : 10.1016/j.physb.2009.07.150 . ISSN 0921-4526 . S2CID 118373839 .
^ Таныгин, Б.М. (2011). «О свободной энергии флексомагнитоэлектрических взаимодействий». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 323 (14): 1899–1902. arXiv : 1105.5300 . Бибкод : 2011JMMM..323.1899T . дои : 10.1016/j.jmmm.2011.02.035 . ISSN 0304-8853 . S2CID 119225609 .
^ Таныгин, Б (2010). «Неоднородное магнитоэлектрическое воздействие на дефект в мультиферроике: прогноз симметрии». Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 15 (1): 012073. arXiv : 1007.3531 . Бибкод : 2010MS&E...15a2073T . дои : 10.1088/1757-899X/15/1/012073 . ISSN 1757-899X . S2CID 119234063 .
^ Пятаков А.П.; Звездин, АК (2009). «Флексомагнитоэлектрическое взаимодействие в мультиферроиках». Европейский физический журнал Б. 71 (3): 419–427. Бибкод : 2009EPJB...71..419P . дои : 10.1140/epjb/e2009-00281-5 . ISSN 1434-6028 . S2CID 122234441 .
^ Лилли, бакалавр (2010). «LXXI. Энергии и ширины доменных границ в ферромагнетике». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 41 (319): 792–813. дои : 10.1080/14786445008561011 . ISSN 1941-5982 .
^ Дьяченко С.А.; Коваленко В.Ф.; Таныгин Б.Н.; Тычко, А.В. (2011). «Влияние размагничивающего поля на структуру блоховской стенки в пластине (001) магнитоупорядоченного кубического кристалла». Физика твердого тела . 50 (1): 32–42. дои : 10.1134/S1063783408010083 . ISSN 1063-7834 . S2CID 123608666 .

Внешние ссылки

Иллюстрация стены Блоха и Нееля
Анимация перехода стены Блоха
2-мерная устойчивость стенки Нееля , Антонио Дезимоне, Ханс Кнюпфер и Феликс Отто в вариационном исчислении и уравнениях с частными производными , 2006

[1] С. Вайнберг, Квантовая теория полей , Том. 2. Глава 23, Издательство Кембриджского университета (1995).

[2] Н. Н. Неронова; Н. В. Белов (1961). «Цветная антисимметрия мозаики». 6 . Советская физика – Кристаллография: 672–678. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[Litvin1999-3] Литвин, Дэниел Б. (1999). «Магнитные субпериодические группы». Acta Crystallographica Раздел А. 55 (5): 963–964. дои : 10.1107/S0108767399003487 . ISSN 0108-7673 . ПМИД 10927306 .

[Kopský1993-4] Копский, Войтех (1993). «Трансляционные нормализаторы евклидовых групп. I. Элементарная теория». Журнал математической физики . 34 (4): 1548–1556. Бибкод : 1993JMP....34.1548K . дои : 10.1063/1.530173 . ISSN 0022-2488 .

[PřívratskáShaparenko2010-5] Пршивратска, Ю.; Шапаренко Б.; Яновец, В.; Литвин, Д.Б. (2010). «Симметрии групп магнитных точек спонтанно поляризованных и / или намагниченных доменных стенок». Сегнетоэлектрики . 269 (1): 39–44. дои : 10.1080/713716033 . ISSN 0015-0193 . S2CID 202113942 .

[PřívratskáJanovec1999-6] Пршивратска, Ю.; Яновец, В. (1999). «Спонтанная поляризация и/или намагниченность в несегнетоупругих доменных границах: предсказания симметрии». Сегнетоэлектрики . 222 (1): 23–32. дои : 10.1080/00150199908014794 . ISSN 0015-0193 .

[WalkerGooding1985-7] Уокер, МБ; Гудинг, Р.Дж. (1985). «Свойства доменных границ Дофине-двойника в кварце и берлините». Физический обзор B . 32 (11): 7408–7411. Бибкод : 1985PhRvB..32.7408W . дои : 10.1103/PhysRevB.32.7408 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 9936884 .

[8] П. Сен-Гркгуар и В. Яновец, в конспектах лекций по физике 353, Нелинейные когерентные структуры, в: М. Барт и Ж. ЛКон (ред.), Springer-Verlag, Берлин, 1989, стр. 117.

[9] L. Shuvalov, Sov. Phys. Crystallogr. 4 (1959) 399

[10] Л. Шувалов, Современная кристаллография IV: физические свойства кристаллов, Springer, Берлин, 1988.

[11] В.Г. Барьяхтар; В.А. Львов; Д.А. Яблонский (1983). «Неоднородный магнитоэлектрический эффект» (PDF) . Письма ЖЭТФ . 37 (12): 673–675.

[TanyginTychko2009-12] Таныгин Б.М.; Тычко, О.В. (2009). «Магнитная симметрия плоских доменных границ в ферро- и ферримагнетиках». Физика Б: Конденсированное вещество . 404 (21): 4018–4022. arXiv : 1209.0003 . Бибкод : 2009PhyB..404.4018T . дои : 10.1016/j.physb.2009.07.150 . ISSN 0921-4526 . S2CID 118373839 .

[Tanygin2011-13] Таныгин, Б.М. (2011). «О свободной энергии флексомагнитоэлектрических взаимодействий». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 323 (14): 1899–1902. arXiv : 1105.5300 . Бибкод : 2011JMMM..323.1899T . дои : 10.1016/j.jmmm.2011.02.035 . ISSN 0304-8853 . S2CID 119225609 .

[Tanygin2010-14] Таныгин, Б (2010). «Неоднородное магнитоэлектрическое воздействие на дефект в мультиферроике: прогноз симметрии». Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 15 (1): 012073. arXiv : 1007.3531 . Бибкод : 2010MS&E...15a2073T . дои : 10.1088/1757-899X/15/1/012073 . ISSN 1757-899X . S2CID 119234063 .

[PyatakovZvezdin2009-15] Пятаков А.П.; Звездин, АК (2009). «Флексомагнитоэлектрическое взаимодействие в мультиферроиках». Европейский физический журнал Б. 71 (3): 419–427. Бибкод : 2009EPJB...71..419P . дои : 10.1140/epjb/e2009-00281-5 . ISSN 1434-6028 . S2CID 122234441 .

[Lilley2010-16] Лилли, бакалавр (2010). «LXXI. Энергии и ширины доменных границ в ферромагнетике». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 41 (319): 792–813. дои : 10.1080/14786445008561011 . ISSN 1941-5982 .

[D’yachenkoKovalenko2011-17] Дьяченко С.А.; Коваленко В.Ф.; Таныгин Б.Н.; Тычко, А.В. (2011). «Влияние размагничивающего поля на структуру блоховской стенки в пластине (001) магнитоупорядоченного кубического кристалла». Физика твердого тела . 50 (1): 32–42. дои : 10.1134/S1063783408010083 . ISSN 1063-7834 . S2CID 123608666 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]