Введение к работе
Актуальность темы Физика магнитных явлений до сих пор остается одной из актуальных областей физики конденсированного состояния В течение нескольких последних десятилетий в ней были сделаны новые открытия, эффекты гигантского и колоссального магнитосопротивления, магнитная силовая микроскопия, гигантский магнитокалорический эффект, эффекты сильного проявления относительно слабых взаимодействий в области фазовых переходов и т.д Эти открытия касались как статических, так и динамических свойств магнетиков В частности, было предсказано аномально большое и аномально малое отражение электромагнитных волн (ЭМВ) от поверхности магнетиков Электродинамические свойства магнитоупорядоченных сред во многом определяются величиной магнитной проницаемости Известно, что в магнетиках магнитная проницаемость может зависеть от многих внешних параметров частоты и угла падения ЭМВ, внешнего магнитного поля, температуры, магнитоупругих взаимодействий, структуры среды, а также от многих внутренних параметров намагниченности, суммарной анизотропии и тд Она может принимать аномально большие или малые, а также отрицательные значения в области резонансов, вблизи и в точке ориентационного фазового перехода (ОФП), когда величина эффективного поля анизотропии образца много меньше поля намагниченности Как известно соотношение магнитной и диэлектрической проницаемости среды определяет ее электродинамические свойства, ее импеданс Этими особыми свойствами поведения магнитной проницаемости в магнитоупорядоченных средах можно воспользоваться для создания сред с уникальной отражательной и поглощающей способностью. Например, коэффициент отражения (КО) при нормальном падении ЭМВ из вакуума на границу полубесконечной среды с отличными от единицы диэлектрической є и магнитной ц проницаемостями определяется формулой
Я =
(1)
Как видно, уменьшение КО может быть достигнуто, если добиться равенства диэлектрической и магнитной проницаемостей вещества (є = ц), а увеличение - при выполнении неравенства є » \а, либо є « \х КО также стремится к единице, когда динамическая магнитная проницаемость отрицательна
Исследования отражательной способности различных веществ являются актуальными по настоящее время в связи с потребностью в высоко отражающих и поглощающих электромагнитное излучение материалах Данные материалы применяются с целью уменьшения эффективной отражающей поверхности наземных и морских объектов, летательных аппаратов с целью их противолокационной маскировки, для оборудования испытательных камер, в которых исследуются антенные устройства, для поглощения электромагнитной энергии в оконечных и др поглощающих элементах СВЧ устройств и тд
Особенно актуальной эта задача становится в связи с возрастанием важности радиолокационной "невидимости" современных военных технологий и с все более широкомасштабным применением в террористических акциях дистанционных технических средств, приведение в действие которых основано на использовании электромагнитного СВЧ излучения
Одна из основных трудностей, возникающих при разработке систем электромагнитной защиты, обусловлена тем, что диапазон частот, в котором работают современные технические средства, находится в интервале от единиц герц (магнитные поля) до сотен гигагерц А поскольку широко применяемые сегодня виды материалов даже при их комбинации сохраняют защитные свойства лишь в ограниченном диапазоне частот, то создание эффективных систем, обеспечивающих отражение, пропускание или поглощение как низкочастотных, так и высокочастотных и СВЧ ЭМВ, является крайне сложной задачей Ко всему этому большинство решений проблемы требуют изменения состава и структуры вещества, что является довольно сложной задачей и толщина таких материалов (особенно комбинационных) достаточно велика [1,2] Поэтому необходимо направить внимание на исследование материалов отражающих, пропускающих или поглощающих ЭМВ в широком диапазоне частот, причем необходимо, чтобы такие материалы обладали небольшой толщиной Перспективными, в данной области, являются материалы, сочетающие в себе диэлектрические и магнитные свойства [3].
В работах [4-6] впервые была теоретически показана возможность аномального изменения КО ЭМВ от поверхности ферродиэлектрика в широком интервале частот - от сверхнизких (вплоть до нуля) до гигагерцовых (СВЧ-диапазон) При этом КО может изменяться от единицы (полное отражение волн) до нуля (полное прохождение волн) при изменении внешних параметров — магнитного поля, температуры или давления Такое поведение КО ЭМВ обусловлено эффектом аномального изменения динамической магнитной проницаемости в области различных резонансов Отмеченное явление наблюдалось экспериментально при исследовании КО ЭМВ от поверхности антиферромагнетиков со слабым ферромагнетизмом (ортоферритов) [7], а также от поверхности порошковых ферритов и Fe-Co порошка [8,9]
В настоящее время проблема заключается в том, чтобы продолжить проведение комплексных теоретических исследований магнитной проницаемости и отражения ЭМВ от поверхности структур, содержащих магнитоупорядоченные среды с целью выхода на практическое применение Для этого необходимо рассмотреть более реальные объекты для приложений -образцы конечных размеров, слоистые (слоисто - периодические) структуры Также необходимо продолжить исследование КО ЭМВ от магнитоупорядоченных сред с разным направлением эффективного поля анизотропии (намагниченности) и при наклонном падении ЭМВ, так как все эти условия могут существенно повлиять на частотный диапазон, в котором КО может равняться единице или нулю. Следует также рассмотреть структуры, содержащие магнитоупорядоченные среды, в которых будет происходить
полное поглощение ЭМВ, так как из них можно создавать радиопоглощающие покрытия
Цели и основные задачи исследования:
Теоретическое исследование магнитной проницаемости и КО связанных спиновых и электромагнитных волн в ферромагнитных кристаллах кубической симметрии в магнитном поле вдали и в области ОФП с разным направлением намагниченности, в частности в геометрии Фарадея и Фойгта
Теоретическое исследование влияния угла падения ЭМВ на магнитную проницаемость и КО с учетом магнитоупругого и электромагнитно-спинового взаимодействий, затухания спиновых волн в точке ОФП и вблизи ОФП
Теоретическое исследование отражения ЭМВ от слоистых систем, с учетом связи спиновых и электромагнитных волн, а также с учетом межслойного взаимодействия
Теоретическое исследование поглощения ЭМВ в структуре немагнитный металл-ферромагнетик и выработка предложений по созданию и практическому применению такого поглощающего материала
Разработка и создание программ, позволяющих численно рассчитывать КО и коэффициент поглощения (КП) ЭМВ от поверхностей систем, содержащих магнитоупорядоченные среды
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что
1 Проведен анализ законов дисперсии связанных спиновых и
электромагнитных волн в кубическом диэлектрическом ферромагнетике (ФМ) в геометрии Фарадея и в геометрии Фойгта Определены выражения для магнитных проницаемостей ФМ в обеих геометриях Показано, что в обеих геометриях при типичных значениях параметров ФМ задача о связанных волнах может быть сведена к обычной электродинамической задаче с известными выражениями для магнитной проницаемости Получено, что в геометрии Фойгта диапазон частот, в котором возможно аномальное изменение КО ЭМВ значительно больше, чем в геометрии Фарадея
2. Впервые получены частотные и полевые зависимости КО ЭМВ
при различных углах падения и поляризации ЭМВ Показано, что КО зависит от угла падения и поляризации на всем диапазоне частот, магнитная проницаемость — только в области резонансов Предложен способ управления КО ЭМВ от поверхности магнитоупорядоченных сред с помощью изменения углов падения и поляризации
3 Проведено исследование интегральной магнитной
восприимчивости (ИМВ) и КО ЭМВ от слоистой структуры,
состоящей из взаимодействующих между собой диэлектрических
ФМ слоев разделенных немагнитными проводящими
прослойками Показано, что увеличение числа слоев за счет
межслойного взаимодействия приводит к увеличению числа
резонансных пиков ИМВ (магнитной проницаемости), КО и
уширению некоторых из них, за счет наложения пиков друг на
друга
4 В структуре немагнитный проводник (НМЛ) - ФМ теоретически
предсказан и проанализирован качественно новый эффект
полного поглощения ЭМВ в немагнитном металле при
определенном соотношении его проводимости и толщины в
области частот, в которой магнитная проницаемость ФМ много
больше диэлектрической Данная структура теоретически имеет
уникальные характеристики, не имеющие аналогов, тк
сохраняет поглощающую способность, как для низкочастотных,
так и для высокочастотных электромагнитных полей даже при
малых толщинах, состав такой структуры достаточно прост
Предложена схема по проведению эксперимента для наблюдения
обнаруженного эффекта поглощения и созданию
высокопоглощающего материала
Достоверность полученных результатов При изучении динамических
свойств систем, содержащих магнитоупорядоченные среды, применялась
теория связанных упругих, спиновых и электромагнитных волн, которая
является основным методом исследования свойств магнетиков В теории
используются хорошо известные уравнения Максвелла, уравнения теории
упругости, уравнения Ландау-Лифшица для намагниченности Совместное
решение вышеперечисленных уравнений с использованием стандартных
граничных условий позволяет получить полную связанную систему уравнений
для определения спектра элементарных возбуждений, их скоростей
распространения, выражения для динамической магнитной проницаемости и
КО ЭМВ. Для расчета КО ЭМВ от многослойных систем также использовался
описанный в литературе и многократно опробованный метод матриц переноса
Таким образом, научные и практические результаты диссертационной работы в
достаточной степени обоснованы применением хорошо апробированных
методов исследования, отдельные результаты работы согласуются с
полученными ранее другими авторами
Практическая значимость работы. Результаты, полученные по исследованию КО ЭМВ от поверхности структур, содержащих магнитоупорядоченные среды, расширяют представление о способах изменения и управления КО и КП ЭМВ Они могут иметь большое практическое значение при создании для промышленных и лабораторных целей высокоотражающих и не отражающих материалов, а также могут быть использованы при создании новых уникальных покрытий, поглощающих как низкочастотные, так и высокочастотные ЭМВ
Положения, выносимые на защиту
1 Результаты аналитического и численного исследования магнитной
проницаемости, коэффициента отражения электромагнитных волн от
поверхности
полубесконечного феррита в геометрии Фойгта,
полубесконечного ферромагнетика в геометрии Фарадея при наклонном падении,
слоистой периодической структуры проводящий ферромагнетик -диэлектрический ферромагнетик,
слоистой структуры, состоящей из взаимодействующих между собой диэлектрических ФМ слоев разделенных немагнитными проводящими прослойками
2 Результаты аналитического и численного исследования коэффициента
поглощения электромагнитных волн от поверхности
структуры немагнитный проводник - ферромагнетик
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались иг
обсуждались на Международной школе-симпозиуме физиков-теоретиков «Коуровка», Екатеринбург-Кыштым, 2004, 2006 гг; Региональной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике, физике и химии, Уфа, 2006 г, Всероссийской научной конференции* «Математика Механика Информатика», Челябинск, 2006 г, ХП и ХШ Международных конференциях по спиновой электронике и гировекторнОй электродинамике, Москва (Фирсановка), 2003, 2004 гг, VII Международном семинаре по физике фазовых переходов, Махачкала, 2005 г, International Symposium "Spin Waves 2007", St Petersburg, 16-18 June, 2007 г , International Conference on Functional Materials, Partenite, Ukraine, 1-6 October, 2007 г, Научных семинарах кафедры физики конденсированного состояния ЧелГУ
Работа по теме диссертации выполнялась при финансовой поддержке 2-ух грантов Правительства Челябинской области 2004 и 2005 г, урчел_04-02-96059 и гранта РФФИ-Урал 07_02_96030
Публикации и личный вклад. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных изданиях, включающих 5 статей (из них одна в журнале из списка ВАК) и 6 тезисов докладов на научных конференциях Общий список публикаций приведен в конце автореферата В совместных публикациях вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач, в получении аналитических решений, в создании и использовании программ для численных расчетов, непосредственном проведении расчетов и получении результатов, а также в интерпретации полученных результатов и написании статей
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения Работа содержит 160 страниц текста, включая 46 рисунков и список цитированной литературы, содержащий 98 наименований
