ЖИТТЯ - МАГНІТНИХ ДОМЕНІВ, Наука та життя
Доктор фізико-математичних наук Г. КАНДАУРОВА, Соросівський професор, заслужений діяч науки РФ, академік РАВН (м. Єкатеринбург).
Вивчаючи властивості різних магнітних речовин, ми неодноразово спостерігали явища, яким за бажання можна знайти аналоги живої природи. Наведу кілька прикладів, попередньо зробивши низку коротких пояснень.
Відомо, що в магнітних кристалах магнітні моменти атомів вибудовані таким чином, що кристал має спонтанну намагніченість J, орієнтовану вздовж певних кристалографічних осей - осей легкого намагнічування. Їх може бути кілька або лише одна. У разі кристал називають магнитоодноосным. Якщо магнітні моменти атомів (як маленькі магнітні стрілочки) збудовані в одному напрямку, зразок, подібно до постійного магніту, має максимальну магнітну енергію. Таке становище нестійке – всі природні процеси йдуть у бік зменшення енергії. Тому в зразку виникає доменна структура - макроскопічна система областей (доменів) з різною орієнтацією векторів J, тому весь зразок в цілому виявляється немагнітним *.
Основними об'єктами наших досліджень стали тонкі монокристалічні плівки феритів-гранатів, загальна формула яких R 3 Fe 5 O 12 (де R - рідкісноземельний елемент) з одновісною перпендикулярною магнітною анізотропією та вихідною лабіринтною доменною структурою (рис. 1а). Вона виявляється за допомогою мікроскопічної методики, заснованої на ефект Фарадея: через зразок пропускається поляризований пучок світла, при проходженні через сусідні домени з антипаралельними векторами намагніченості J площина поляризації повертається в протилежні сторони. Відповідно за допомогою аналізатора забезпечуєтьсярізна інтенсивність світла, яке пройшло через сусідні домени. Через війну спостерігається контрастна картина доменної структури (рис. 1). У доменах намагніченість J спрямована "до нас" та "від нас".
Розглянемо типову картину зміни такої лабіринтної доменної структури в процесі намагнічування зразка (див. рис. 1) у постійних (статичних) полях, орієнтованих уздовж осі легкого намагнічування, тобто поверхні, що спостерігається перпендикулярно. Зі зростанням напруженості зовнішнього просторово однорідного магнітного поля одного напрямку (нехай H - спрямовано "від нас") зростають ширина та площа (і відповідно обсяг) "темних" доменів (рис. 1б, в). У полі Н+ протилежного напрямку (рис. 1д, е), навпаки, збільшується площа, а отже, і обсяг світлих доменів із протилежною орієнтацією вектора J . При цьому домени мають неправильну вигнуту форму. У полі H S досягається намагніченість насичення (рис. 1г, ж). Звернемо увагу на те, що при багаторазовому повторенні процесу намагнічування (рис. 1a, б, в, г) та перемагнічування (рис. 1а, д, е, ж) конфігурація доменів не відтворюється.
Тепер розглянемо поведінку лабіринтної доменної структури (рис. 1а) у змінному, просторово однорідному магнітному полі H (t), що безперервно діє. Наприклад, H (t) - гармонійне поле H
= H 0 sin2p ft де H 0 - амплітуда поля, f - циклічна частота **.
У мікроскоп видно, що при малих амплітуді та частоті доменні межі коливаються біля вихідних положень рівноваги; зі зростанням напруженості магнітного поля H та його частоти f починається рух доменів. Вони згинаються, розриваються і зміщуються в різних напрямках з різними швидкостями. У міру збільшення H і f рух стає все більш інтенсивним, так що картина розпливається вбільш-менш однорідний сірий фон. Але фотографія із досить малою експозицією фіксує "миттєву картину" невпорядкованої динамічної доменної структури. Ми називаємо цю структуру просторово-часовим доменним хаосом чи просто "хаосом".
Збільшуючи далі амплітуду Н і частоту f але залишаючи Н H S можемо побачити, як раптом на сірому тлі з'являються контрастні, упорядковані структури у вигляді спіральних доменів. Це може бути один багатовитковий спіральний домен або кілька. Отже, пішов процес самоорганізації невпорядкованого колективу динамічних доменів. Найцікавіше відбувається далі. Виниклий спіральний домен, проіснувавши деякий час T g (ми назвали його часом "життя" домену), швидко зникає. Знову спостерігається лише сірий фон. Однак через деякий час T w , назване нами часом "очікування", на контрольованій ділянці зразка знову виникає інший або кілька інших спіральних доменів, які знову "живуть" - зникають - з'являються - пропадають, і так весь час, поки залишаються амплітуда і незмінними та частота змінного поля. Інакше кажучи, йде самогенерація процесів виникнення ↔ зникнення динамічних упорядкованих доменних структур.
Час "життя" спіралей залежить від параметрів змінного поля та характеристик зразків і може в сотні або тисячі разів перевищувати період змінного поля, тобто упорядковані динамічні доменні структури є стійкими.
Описаний збуджений стан багатодоменного магнітного середовища ми назвали ангерним станом (від англійської anger state - сильно роздратований, гнівний стан). Явище було відкрито 1998 року і сьогодні активно досліджується. Експериментальні та теоретичні результати його вивчення узагальнені у згаданій на стор. 28 огляді Р.С. Кандаурова.
Спіральні домени в різних зразках можуть відрізнятися один від одного. Наприклад, це можуть бути виключно красиві спіралі, майже ідеальної форми (рис. 2а) або дуже ошатні спіралі з гофрованими витками (рис. 2б).
На рис. 2 представлені різні динамічні доменні структури у різних зразках плівок феритів-гранатів. Але виявилося, що в тому самому зразку на тому самому місці можна спостерігати дуже вражаючі картини перетворення динамічної структури при зміні частоти та амплітуди змінного поля (рис. 3). Так, при малій частоті (рис. 3а) видно якісь скрючені, неправильної форми спіральні мотки. З них із збільшенням частоти утворюються дуже пристойні спіральні домени (рис. 3б). А далі зі зростанням частоти поля, як правило, формується щільне пакування спіральних доменів (рис. 3в), що заповнює весь зразок.
Тепер, можливо, найдивовижніше. Нічого не міняємо, лише спостерігаємо в мікроскоп одне і те ж місце плівки в полі, частота та амплітуда якого (Н, f) відповідають області ангерного стану. На сірому фоні виник великий спіральний домен (рис. 4а). Він веде себе як "живий" - його витки коливаються та змінюють свою конфігурацію. Це видно по сірому ореолу довкола чорних та білих витків. Проіснувавши час T g домен швидко зникає. Знову видно лише сірий фон. Однак через час T w на цьому ж місці зразка виникають два спіральні домени (рис. 4б) з однаковою закруткою (однаковими топологічними зарядами). Проживши час T g , зникають, і через T w з'являються дві інші спіралі (рис. 4в). Тепер домени мають різні заряди.
По згущенню витків видно, що у першому (рис. 4б) й у другому (рис. 4в) разі спіральні домени стискають одне одного. Максимальні значення характернихчасів "життя" T g і "очікування" T w становить 10-30 секунд при частоті поля 200 Гц і зі зростанням частоти різко зменшуються. Передбачити, які саме спіральні домени виникнуть, неможливо: процес цей випадковий.
На рис. 5 продемонстровано ефектну картину взаємодії спірального домену з протяжним дефектом плівки - подряпиною. Великий спіральний динамічний домен важко огинає кінець подряпини. На допомогу йому приходить другий невеликий домен і, як видно по стиску витків, починає підштовхувати перший. На жаль, час їхнього "життя" закінчився раніше, ніж вони обійшли перешкоду.
Процеси виникнення та зникнення спіральних доменів відбуваються настільки швидко, що при візуальному мікроскопічному дослідженні неможливо помітити, як протікають ці процеси.
Дивлячись на рис. 6, так і хочеться назвати спіральний домен 6в "молодим", 6г - "зрілим", "пізнав життя і удари долі", 6д - "старіючим", а 6е - "старим, старим", доменом, що розвалюється. На графіку залежності числа витків від часу (рис. 7) три найбільш значних періоди в "життя" цього спірального домену - "молодість" - "зрілість" - "старість" - виділяються дуже чітко.
Зауважимо ще, що є в "життя" деяких спіральних доменів "важкі моменти": наприклад, багатовитковий домен починає різко "худнути" і втрачати витки (20 витків за секунду!). Здавалося, він приречений, зараз розвалиться та загине, але ні! Це була "хвороба", яку домен подолав, виправився і знову накрутив витки, майже до максимального значення (24 витки). Однак через 2,8 секунди скінчився відведений йому долею час "життя".
Тепер розглянемо різні етапи "життя" та взаємодії кількох спіральних динамічних доменів (рис. 8). На ділянці, що спостерігається, того жплівкового зразка, що на рис. 6, виникли чотири спіральні домени (рис. 8а). Спочатку домени не стикаються. Скажімо так: ситуація спокійна, але кожен з доменів зростає, збільшуючи кількість витків, і через деякий час стикаються (рис. 8б). Ситуація змінюється докорінно. Кожен із спіральних доменів "хоче відвоювати собі територію" для подальшого зростання. Їхні витки натягнуті, як струни. На рис. 8б видно, наскільки напружена, войовнича склалася обстановка. У "битву" входить ще один великий домен (згори зліва). Спільними зусиллями пов'язані між собою "агресори" "таки задавили" затиснутий з усіх боків маленький доменчик (рис. 8в). Але при цьому сильно постраждав ще один невеликий домен (мал. 8г, внизу). А далі? Хотілося б бачити продовження бою. Але у всіх учасників "побоїща" скінчився час, і вони зникли.
Звісно, я привела лише малу частину результатів спостереження динамічних доменних структур. Треба зупинитися на системах з кільцевих концентричних динамічних доменів, на гігантських радіальних, радіально-кільцевих доменах. Варто згадати про різні типи щільних упаковок доменів, про джерела динамічних доменів і багато іншого, але це вже за рамками цієї статті.
Див. у номері на ту саму тему
Коментарі до статті
**Детальніше про методику див. Кандаурова Г. С. Нові явища в низькочастотній динаміці колективу магнітних доменів // Успіхи фізичних наук, 2002, т. 172, № 10, с. 1165-1187.