Физики из Франции и Китая двумя способами измерили поверхностную энергию доменных стенок, возникающих в тонкой ферромагнитной пленке. В первом способе они измеряли критическое магнитное поле, при котором создаваемые пузырьки переставали сдуваться, а во втором способе исследователи отрывали эти пузырьки от края проволоки. Статья опубликована в Physical Review Applied, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

При намагничивании ферромагнетика спины составляющих его частиц стараются выстроиться вдоль магнитного поля, но обменное взаимодействие с соседними частицами и тепловые колебания мешают им это сделать. В результате в объеме магнетика образуются домены — макроскопические области, в которых спины частиц выстроены в одном направлении, причем это направление не обязательно совпадает с намагничивающим полем. Граница между доменами называется доменной стенкой. По своим свойствам доменные стенки сильно напоминают другие поверхностные структуры, например, вихри сверхпроводимости, мыльные пленки или поверхности на границе двух жидкостей. Сейчас ученые активно изучают свойства доменных стенок, поскольку в перспективе с их помощью можно будет разработать энергонезависимую память очень высокой плотности и построить логические элементы.

Основной параметр, который определяет динамику доменной стенки — это поверхностная энергия γ, количество энергии, которая запасена в единице площади стенки. В качестве простой аналогии здесь можно привести поверхностную энергию и поверхностное натяжение жидкости, которое вызывает поднятие воды в капиллярах. Таким же образом соотношение между поверхностной энергией, энергией пиннинга(pinning energy) и энергией Зеемана определяет смещение доменной стенки. К сожалению, параметр γ нельзя рассчитать теоретически — ученые не до конца понимают явления, связанные с движением стенки, а потому некоторые параметры теории можно определить только экспериментально.

В этой статье группа физиков под руководством Дафине Равелосона (Dafiné Ravelosona) сообщает о непосредственном измерении двумя независимыми способами поверхностной энергии доменной стенки, которая возникает в тонкой ферромагнитной пленке. Один из способов предполагает стабилизацию магнитного пузыря, границей которого является магнитная стенка, путем приложения к нему внешнего магнитного поля. Второй способ полагается на то, что при «выдавливании» доменной стенки из прямого провода в пустое пространство стенка «приклеивается» к горлышку и не отрывается, пока приложенное поле не превысит определенную величину.

Изображение экспериментальной установки (a) и постепенное сдувания пузырька в отсутствие внешнего магнитного поля (b). X. Zhang et al. / Phys. Rev. Appl.

Схема поставленного учеными эксперимента выглядела следующим образом. Сначала они создавали доменную стенку внутри тонкого провода и «впрыскивали» ее с помощью мощного магнитного импульса в квадратную область, свободную от доменных стенок. В результате на краю провода возникал полукруглый пузырек, границей была являлась доменная стенка. В отсутствие внешнего магнитного поля этот пузырек постепенно сдувался, причем скорость уменьшения его размеров росла при уменьшении размеров пузырька. Разумеется, сжатие возникало из-за натяжения доменной стенки, которая стремилась уменьшить свою поверхностную энергию. Если же приложить к системе внешнее магнитное поле, появится дополнительная энергия, которая «запасается» в объеме пузырька и мешает ему сжиматься. Поскольку энергия объема растет пропорционально кубу линейных размеров, а энергия поверхности — квадрату, рано или поздно пузырек стабилизируется. Сравнивая эти две энергии и определяя зависимость критического поля от радиуса пузырька, ученые нашли его поверхностную энергию, которая составила примерно γ ≈ 5,4 джоулей на квадратный метр.

Пузырек, помещенный в магнитное поле, превышающее (a) и не превышающее (b) критическое значение. Зависимость величины критического поля от радиуса пузырька ©. X. Zhang et al. / Phys. Rev. Appl.

Другой способ определить параметр γ полагается на то, что при отрывании пузырька от края проволоки площадь его поверхности увеличивается — следовательно, его энергия тоже возрастает. Передать эту энергию тоже можно с помощью внешнего магнитного поля. В данном случае величина критического поля зависит от диаметра провода. Измеряя эту зависимость из экспериментальных данных, ученые оценили поверхностную энергию величиной γ ≈ 4,1 джоулей на квадратный метр. Отличие от первого способа ученые объясняют тем, что края проводов были слегка закруглены, что приводило к уменьшению критического поля.

Отрывание пузырька от границы провода (a) и проталкивание его через Холловский крест (b). Зависимость критического поля от толщины провода ©. X. Zhang et al. / Phys. Rev. Appl.

Кроме того, физики исследовали взаимодействие двух магнитных пузырьков разного размера друг с другом. Для этого ученые стабилизировали оба пузырька с помощью магнитного поля и поместили их рядом. В результате физиком удалось увидеть, как большой пузырек медленно расширяется, а затем поглощает маленький, напоминая взаимодействие двух мыльных пузырей.

Поглощение бо́льшим пузырьком меньшего. X. Zhang et al. / Phys. Rev. Appl.

Для того, чтобы сфотографировать положение доменной стенки, ученые использовали магнитооптический эффект Керра. Из-за этого эффекта поляризация света, отраженного от пленки, зависит от направления ее намагниченности — следовательно, пропуская его через поляризационный фильтр, можно определить границу, на которой эта намагниченность изменяется (смотри фотографии).

В 2015 году физики из Японии научились управлять доменными стенками и перемещать магнитные пузырьки в двумерном ферромагнетике. Для этого они предложили использовать пикосекундные лазерные импульсы, которые возбуждают в веществе магнитоупругие волны (связанные фононы и магноны) и передвигают границы магнитных доменов.

Автор: Дмитрий Трунин