Введение к работе
Диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию влияния обменного взаимодействия электронов проводимости со спиновыми волнами (СВ) на характеристики распространения СВ в магнитных полупроводниках СМЮ в присутствии внешних электромагнитных полей.
Актуальность темы иссследования
Рассматриваемые в диссертации вопросы находятся на стыке физики полупроводников и магнетизма, и относятся к относительно новой и быстро развивающейся области прикладной физики твердого тела: СВЧ-магнитоэлектронике. Магнитоэлектронные явления находят применение в различных радиотехнических устройствах хранения и обработки информации. С этой точки зрения МП объединяющие в одном кристалле как свойства полупроводников, так и магнитные свойства могут иметь свои преимущества по сравнению .скажем, со слоистыаи структурами полупроводник-феррит. Наличие двух взаимодействующих подсистем позволяет легко управлять одной из них воздействуя на другую. На этой основе предложены и уже созданы различные устройства: датчики, фазовращатели, частотные фильтры и другие приборы с 13.
Цель настоящей работы состояла:
1) в развитии теоретического подхода, на основе которого можно с
единой точки зрения рассмотреть дисперсионные свойства когерент
ных СВ в МП для двух основных механизмов взаимодействия СВ с
электронами - a-d обменного и дипольного и при любой величине
параметра столкновений <зі Сздесь о. - волновое число СВ, і - длина
свободного пробега электронов проводимости)
2) в исследовании поглощения СВ в МП с различными типами
магнитного упорядочения (ферромагнитного и антиферроыагнитного) и влияния дрейфа носителей на это поглощение
3) в изучении влияния переменного электрического поля на распространение СВ в ферромагнитных полупроводниках (ФМП) Научная новизна проведенных исследований состоит в: 1» формулировке теории взаимодействия когерентных СВ с электронами проводимости МП при - произвольной величине параметра столкновений qi электронов с термостатом (магнитной или немагнитной природы)
2) предсказании и исследовании новых физических эффектов:
нерезонансного усиления СВ и резонансной перестройки спектра СВ в
МП. помещенном в переменное электрическое поле
3) последовательном расчете конкретных эффектов, необходимых для
интерпретации экспериментов (например, влияния столкновений на
залороговое поглощение СВ в ФМП и поглощение СВ в
антиферронагнитных полупроводниках (ІФШ) в промежуточном случае
qi « 1 и других)
Положения, выносимые на зашиту l.Ha основе квантового уравнения движения для статистического
оператора Ш (с ферромагнитным и антиферронагнитным типами упорядочения) во внешних полях, описываемого в рамках s-d модели Вонсовского, выведена связанная система макроскопических уравнений для намагниченности решетки и функции распределения электронов проводимости (спиновой матрицы). Взаимодействие электронов проводимости с колебаниями намагниченности проявляются в этих уравнениях в виде вкладов электронов в эффективное магнитное поле, и намагниченности - в силу, действующую на электроны. Полученная система связанных уравнений является основой для описания
- А -
распространения Слинейного и нелинейного) когерентных GB в МП с полным учетом электронных столкновений.
2.Получены дисперсионные соотношения для СВ в ФМП, справедливые при любых значениях параметра столкновений электронов <зі (qi « 1, qi ~ і. qi » і). Анализ этих дисперсионных соотношений показал, что:
а) в допороговой области волновых чисел поглощение полностью
определяется столкновениями электронов. Механизм поглощения
связан с хаотизавдей фазы прецессии электронного магнитного
нонента относительно вектора нанагниченности решетки. Вычислено
характерное время такой хаотизатаи. которое по-существу
представляет собой время образования единого колебания
решеточного и электронного моментов, известного как "единый
магнон" С21. В полупроводниках типа cdCrzse4 это время оценено,
как > і О"1* сек .
б) влияние столкновений электронов на поглощение СВ в запорого-
запороговой области волновых чисел при любом qi существенно
определяется характерныыи частотами столкновений и величиной
спинового расщепления подзон. Если названные параметры сравнимы,
столкновения полностью устраняют электронное поглощение.
в) дипольные поля, сопровождающие спиновую волну при я. -- йо,
где q - волновой вектор СВ. йо - внешнее магнитное поле, наряду с
обменным взаимодействием оказывают существенное влияние на
электронное поглощение. Вследствие несохранения полного спина
системы при учете дипольного взаимодействия, собственные спиновые
волны содержат обе круговые поляризации, которые вносят аддитив
ный вклад в электронное поглощение.
г) Процессы электронного поглощения спиновых волн в запороговой
области при ql » і и влияние дрейфа электронов на это поглощение допускают наглядную'геометрическую интерпретацию, как элементарные'''.' акты поглощения (испускания) < магнонов индивидуальными .электронами.
3'.- Получены дисперсионные соотношения для СВ в 1МП справедливые при^ любых значениях параметра столкновений электронов ql (ql.«.l,, ql > 1. ql » 1). Анализ этих дисперсионных соотношения показал, ЧТО:
а) вклад' электронов в поглощение СВ любого типа (антиферроыаг-
нитного и ферромагнитного) максимален при ql v 1 и при типичных
значениях параметров материалов оценивается как >- 10 сек"1.
б) создание дрейфового потока электронов проводимости в АФМП
позволяет в принципе инвертировать знак электронного поглощения.
При этом компенсация магнитных потерь возможна только в АФМП с
анизотропией типа "легкая плоскость" ' (поскольку неэлектронные
потери-в этих материалах минимальные и составляют " Iff сек"1)
-
В ФМП, помещенном в переменное по времени и однородное в пространстве электрическое поле частоты о возникает перестройка спектра СВ если частота СВ удовлетворяет" условию " = по/2 .На этих частотах отсутствует неустойчивость спиновой волны. Эффект может быть обнаружен в экспериментах по появлению полос непрохождения СВ на данных частотах.
-
В ФМП, помещенном в переменное .по. времени и однородное в пространстве электрическое поле частоты а удовлетворяющее условию йт« і возникает нерезонансное усиление СВ электронами. Усиление связано с тем, что благодаря s-d обыену,- происходит передача дкоулевой мощности,приобретаемой электронами от переменного поля, к спиновой волне. При типичных значениях параметров cdo2Se4 при
77 К коэффициент усиления составляет 17 дБ на длине пробега СВ
500 микрон в широкой полосе частот (порядка частоты ФМР» г'но;.-гдв- '
г -гиромагнитное отношение). .'--'.' '
Практическая ценность.Проведенные в диссертации исследования ' тесно связаны с возможностью использования МП в устройствах-спинволновой электроники. Так, например, исследование поглощения СВ в АФМП (гл.З) дает указание по выбору материала с'оптимальными, даннныыи для электронной компенсации решеточных потерь,.-, , а. исследования по влиянию переыенного электрического поля' на- -распространение СВ (гл.4) могут быть использованы для. создания'"' управляемого электрическим полей усилителя СВ. Кроме того. : проведенные в диссертации исследования могут служить для интерпретации результатов эксперименатльного изучения МП. Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию. докладывались на .-
У Международной конференции по гиромагнитной электронике (Варна 1982)
xyi. xyii, XIX Всесоюзных семинарах по спиновым волнам (Ленинград 1982, 1Б84. 1988)
Всесоюзных школах по магнитным полупроводникам (Свердловск 1Э83.
19В8) .
і. П Всесоюзных конференциях "Магнитные полупроводники .и,
сегнетоэлектрики (Москва 1984. 1986) ..--....
2, 3, 4 Всесоюзных школах-семинарах по спинволновой электронике ..' .
(Ашхабад 1985. Краснодар 1987, Львов 1989) '. ' '.':':-''.;.7/
15 Советско-Японском семинаре по электронике .твёрдого '.тела.".:.;.''-'.
(Москва.1988) -..... ' /'- :'.',-'-
а также регулярно обсуждались на семинаре "Сгшнволновые процеси*- \ ',
в электронике твердого тела" в ИРЭ АН СССР.
Публикации. По результатам работы опубликованы 6 статей и 1 препринт.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Изложена диссертация на 4^5 страницах машинописного текста, включающих 19 рисунков и списка цитированной литерагутры из (0^ наименований.