Спинволновые солитоны в доменах и доменных границах магнитных пленок

Одним из фундаментальных завоеваний физики нелинейных явлений явилось понятие солитона — уединенной волны, локализованной в пространстве и сохраняющей либо восстанавливающей свою форму во времени после взаимодействия с другими солитонами.

Солитоны электромагнитных колебаний обнаруживались в оптически прозрачных волокнах со слабой дисперсией. Наблюдение подобных образований в магнитных пленках представлялось проблематичным из-за наличия значительного затухания и волновой дисперсии колебаний магнитного момента.

Достижением научных исследований НИИФП было предсказание реальной возможности наблюдения солитоноподобного режима распространения спинволновых пакетов в пленках железо-иттриевого граната при подходящем выборе условий и параметров первоначального возбуждения. В дальнейшем это предположение было успешно подтверждено работами ленинградских физиков, а затем и зарубежными исследованиями.

Солитоны - одно из проявлений самоорганизации нелинейной системы. В последнее время появился ряд экспериментальных работ по изучению неравновесных магнитных структур в ненасыщенных магнитных пленках, которые возникают в переменных магнитных полях и связываются с синергетическими явлениями самоорганизации. Процессы самоорганизации неравновесных структур изучаются в различных средах.

В частности, многообещающие результаты получены за рубежом в изучении диссипативных структур в резонаторе с оптически активной средой и оптически нелинейным кристаллом для реализации идеи синергетического компьютера. Релаксация нелинейных волн намагниченности к стационарному состоянию может оказаться не менее быстрой, чем установление нелинейных диссипативных структур поляризации в оптически прозрачном кристалле. Поэтому изучение солитонов и диссипативных структур в магнитных средах, условий их возникновения, преобразования и контроля представляет также и практический интерес.

В последнее время в НИИФП проводились теоретические исследования уединенных волн параметрически связанных колебаний намагниченности в звуковой решетке, образующихся в области частотной полосы непропускания, обусловленной брегговским отражением спиновых волн на решетке. Обычно считается, что малоамплитудные самолокализованные уединенные волны возникают только в области выполнения критерия пространственной неустойчивости плоского волнового фронта, определяемого знаками нелинейности и дисперсии среды — критерием Лайтхилла.

Однако для случая дисперсии, обусловленной гибридизацией когерентно связанных волн, этот критерий требует уточнения, так как солитоны огибающей могут рождаться с конечной амплитудой вдали от края активационной щели, где этот критерий нарушается. Одним из важных результатов исследований является доказательство того, что солитоны огибающей могут существовать по всей области полосы непропускания сигнальной волны в нелинейной периодической среде как вблизи верхней, так и нижней ее границ, где дисперсия линейных гибридизованных волн имеет противоположный знак.

Наряду с этим в работе была подтверждена возможность стабилизации солитонов связанных волн путем электромагнитной локальной накачки на частоте одной из связанных гармоник. Проделанные расчеты показывают, что в принципе возможно контролируемое управление параметрами локализованных спинволновых пакетов по аналогии с оптическими нелинейными устройствами.

Таким образом, можно надеяться, что на базе замедленных электромагнитных волн в магнитных пленках можно реализовать новые нелинейные устройства аналоговой обработки сигналов СВЧ-диапазона. В отличие от оптических систем магнитные пленки характеризуются большей величиной нелинейности и требуют значительно меньших мощностей нелинейных сигналов.

Другим направлением теоретических исследований в области нелинейной магнитодинамики пленок, проводившихся в НИИФП за последнее десятилетие, является цикл работ по изучению солитоноподобных явлений в доменных границах магнитоодноосных пленок с большой перпендикулярной анизотропией. Среди наиболее интересных результатов, полученных в этом направлении, следует отметить следующие.

Новый подход к рассмотрению метастабильных микро магнитных состояний неоднородной поляризации доменной границы позволил существенно упростить описание магнитодинамнки блоховских линий и их скоплений на доменной границе при скоростях, ниже критической. Был выявлен механизм ограничения предельной скорости блоховских линий как в однородных по толщине, так и в ’’скрученных” доменных границах.

Проведенные расчеты позволили не только успешно объяснить результаты экспериментальных исследований динамики доменных границ с блоховскими линиями, но и провести моделирование работы магнитного запоминающего устройства на вертикальных блоховских линиях с целью определения его предельных характеристик.

Дальнейшие исследования нелинейной магнитодинамики доменных границ показали, что блоховские линии, обладающие солитонными свойствами в закрепленной доменной границе при нулевой диссипации, могут демонстрировать солитоноподобные свойства и при наличии диссипации. Условием проявления таких свойств является наличие достаточно большой начальной кинетической энергии, достаточной для компенсации диссипативных потерь в процессе взаимодействия сталкивающихся блоховских линий.

Характер динамического поведения блоховских линий оказался в этом смысле близок к поведению магнитных флуксонов, в распределенном джозефооновском переходе. Роль плазменных колебаний здесь играют изгибные колебания доменной границы. Однако затем были выяснены также и различия в поведении доменной границы и распределенного сверхпроводящего контакта.

Оказалось, что конечная изгибная жесткость доменной границы приводит к тому, что блоховские линии легко образуют скопления при движении в одном направлении, но не могут образовать связанного состояния типа бризерного, когда они сталкиваются друг с другом во встречном направлении.

Таким образом, доменная граница является нелинейным каналом для локализованных на ней спинволновых возбуждений. По крайней мере она может служить хорошим модельным объектом для изучения солитоноподобных явлений в магнитной среде.

Теоретические расчеты, проводившиеся в НИИФП, доказывающие солитоноподобные свойства блоховских линий, а также предсказанные особенности динамического взаимодействия пакетов блоховских линий при больших скоростях, получили подтверждение в экспериментах, проводившихся в МГУ, которые фактически впервые продемонстрировали проявление солитонных свойств в диссипативной среде у магнитных топологических образований.