"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" ISSN 1684-1719, N 9, 2019

оглавление выпуска         DOI  10.30898/1684-1719.2019.9.8     текст статьи (pdf)   

УДК 537.874; 537.624

ВЛИЯНИЕ ОБМЕННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗМАГНИЧИВАНИЯ НА ДИСПЕРСИЮ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ ДЭЙМОНА-ЭШБАХА

ЧАСТЬ 2. ДИСПЕРСИОННОЕ СООТНОШЕНИЕ

 

В. И. Щеглов

Институт радиотехники и электроники им В.А.Котельникова РАН,

125009, Москва, ул. Моховая, 11-7

 

Статья поступила в редакцию 6 августа 2019 г.

 

Аннотация. Рассмотрено распространение поверхностной магнитостатической волны в классической геометрии задачи Дэймона-Эшбаха, представляющей собой ферритовую пластину, намагниченную внешним полем в ее плоскости. Рассмотрение выполнено с учетом динамического размагничивания и неоднородного обменного взаимодействия. Получен тензор магнитной проницаемости с учетом периодического характера распространяющейся волны. Отмечен смешанный симметрично-антисимметричный характер тензора проницаемости, обусловленный учетом динамического размагничивания. Определены условия частотной расходимости компонент тензора, дополненные к влиянию постоянного поля также действием неоднородного  обмена. Рассмотрена общая постановка задачи о распространении поверхностной магнитостатической волны. Отмечено, что равенство нулю ротора от динамического магнитного поля волны позволяет ввести потенциал этого поля, а равенство нулю дивергенции от магнитной индукции той же волны позволяет для потенциала получить уравнение Уокера, являющееся аналогом уравнения Лапласа для магнитной среды. Отмечено наличие смешанной второй производной по координатам в уравнении Уокера, обусловленное влиянием размагничивания и обмена. Показано, что смешанный характер производной приводит к двойственности поперечного волнового числа. Для геометрии задачи Дэймона-Эшбаха записаны уравнения для потенциала в магнитной пластине и окружающих ее с обеих сторон двух свободных полупространствах. Приведены граничные условия на поверхностях между материалом пластины и свободным пространством. В результате решения поставленной граничной задачи методом разделения переменных получено дисперсионное соотношение для поверхностной волны, распространяющейся в плоскости пластины перпендикулярно направлению постоянного поля. Подробно рассмотрен двойственный характер поперечного волнового числа, обусловленный смешанной производной в уравнении Уокера. Получены аналитические выражения для обоих значений волнового числа, обусловленные только размагничиванием в отсутствие обмена. Показано, что получение обеих компонент волнового числа при наличии обменного взаимодействия требует решения алгебраического уравнения восьмой степени, осуществимого только численным методом. Приведена общая схема получения закона дисперсии как функциональной зависимости частоты волны от ее продольного волнового  числа. Предложен алгоритм расчета, состоящий в пошаговом задании продольного волнового числа с нахождением значения частоты на каждом шаге методом поиска нуля. Приведены схемы алгоритмов получения обеих частей дисперсионного соотношения, а также действительной и мнимой частей соотношения в целом. Отмечено, что приведенный алгоритм позволяет получить функциональную зависимость частоты распространяющейся волны от продольного волнового числа, что и составляет искомый закон дисперсии. Приведены результаты расчета дисперсии поверхностной магнитостатической волны на основе полученного дисперсионного соотношения. В качестве точки для сравнения приведена классическая дисперсионная зависимость для обменной волны в безграничном пространстве и ее обобщение для тонкой пластины. На основе полученного дисперсионного соотношения построены дисперсионные кривые с учетом как размагничивания, так и обмена. Исследования выполнены в интервале продольного волнового числа от нуля до 4x104  см-1, что превышает традиционно реализуемый диапазон в экспериментах по дипольным магнитостатическим волнам примерно на два порядка. Выполнено сравнение полученных кривых с таковыми для классической задачи Дэймона-Эшбаха, а также для классической обменной волны в безграничной среде и тонкой пластине. Показано, что учет размагничивания приводит к повышению дисперсионных кривых в области волновых чисел, величина которых превышает обратную величину толщины пластины. Показано, что обменное взаимодействие приводит к квадратичному росту дисперсионных кривых, существенно превышающему дисперсионные кривые для поверхностных волн, полученные в рамках классической задачи Дэймона-Эшбаха. На основе полученного дисперсионного соотношения с учетом размагничивания и обмена, рассмотрена зависимость закона дисперсии для поверхностной волны от толщины пластины. Отмечено, что дисперсионные кривые при любой толщине, по мере роста волнового числа, также возрастают по закону, близкому к квадратичному. При этом в области значений волнового числа, меньших обратной толщины пластины, крутизна дисперсионных зависимостей по мере уменьшения толщины возрастает. В области значений волнового числа, больших обратной толщины пластины, крутизна дисперсионных кривых по мере уменьшения толщины асимптотически стремится к величине, свойственной закону дисперсии в отсутствие размагничивания. На основе полученного дисперсионного соотношения с учетом размагничивания и обмена, рассмотрена зависимость закона дисперсии для поверхностной волны от величины константы обменного взаимодействия. Рассмотрение выполнено при толщине пластины равной 1 мкм, что обеспечивало начало заметного влияния размагничивания примерно на середине исследуемого диапазона волнового числа (то есть около 2x104 см-1). В качестве эталона принято значение константы обмена, свойственное железоиттриевому гранату. Получены дисперсионные кривые при разной величине константы обменного взаимодействия в интервале от одного до ста эталонных значений. Показано, что при величине константы порядка единицы от эталонного значения, дисперсионная кривая, хотя и проходит несколько выше классической, соответствующей задаче Дэймона-Эшбаха, но квадратичный характер дисперсии заметно не проявляется. Показано, что для заметного проявления квадратичности необходимо превышение константы обмена не менее чем на порядок по сравнению с эталоном. При этом превышение константы над эталоном на два порядка приводит к полному преобладанию квадратичного закона над классическим. Отмечена связанная с численным характером решения задачи техническая причина ограничения интервала продольного волнового числа величиной 4x104 см-1. Выявлены ее особенности и указаны пути их преодоления. В качестве важнейшей задачи для дальнейшего рассмотрения отмечена необходимость расширения исследуемого диапазона продольного волнового числа не менее чем на два порядка.

Ключевые слова: магнитостатическая волна, размагничивающее поле, обменное взаимодействие, дисперсия волн, наноразмеры.

Abstract. The propagation of magnetostatic wave in classic geometry of Damon-Eshbach task which is established as ferrite plate magnetized by external field in its plane is investigated. The investigation is made in connection with dynamic demagnetization and nonuniform exchange interaction. It is found the tensor of magnetic permeability in consideration with the periodic character of propagating wave. It is found the mixed symmetrical-anti-symmetrical character of permeability tensor which is connected with the consideration of dynamic demagnetization. It is found the conditions of frequency divergence of tensor components wish are supplemented to the influence of direct field also by the nonuniform exchange action. It is investigated the whole organization of task about propagation of magnetostatic surface wave. It is established that the equality to zero of circle from dynamic magnetic field of wave allows to introduce the potential of this field. Also the equality to zero of divergence from magnetic induction of the same wave allows to found the Walker equation which is analog with the Laplace equation for magnetic medium. It is found the existence of mixed second derivation by coordinated in Walker excitation which is brought by the influence of demagnetization and exchange. It is shown that the mixed character of derivation leads to the ambivalent character of transverse wave number. For the geometry of Damon-Eshbach task the equations for potential in magnetic plate and surrounding its form both sides free half-spaces. It is described the boundary conditions on the surfaces between the material of plate and free spaces. As a result from the decision of established boundary task by variation division method the dispersion relation for surface wave propagating in plate plane in direction perpendicular to constant field is found. In details it is investigated the double character of transversal wave number which is connected with the mixed derivation in Walker equation. It is found the analytical expressions for both meanings of wave number which determined only the demagnetization without the exchange. It is shown that the founding of both components of wave number when exchange interaction is present require with the decision of eight degree algebraic equation which may be decided only by numerical method. It is described the general scheme of dispersion law founding as a functional dependence of wave frequency from the its longitudinal wave number. It is proposed the algorithm of calculation which consist of step by step assignment of longitudinal wave number with the determination of frequency value on each step by zero searching method. It is described the schemes of calculation algorithms of both paths of dispersion relation and also the real and imaginary paths of relation as a whole. It is demonstrated that described algorithm allows to found the functional dependence of wave propagating frequency from the longitudinal wave number which is the unknown dispersion law. It is described the results of calculation magnetostatic surfaces wave dispersion on the basis of received dispersion relation. As a point for comparison it is described the classic dispersion dependence for exchange wave in infinite space and its generalization for the case of thin plate. On the basis of founded dispersion relation are constructed the dispersion curves with the consideration of demagnetization and exchange interaction. The investigations are performed in the interval of longitudinal wave number from zero to 4x104 cm-1, which is more than traditionally realized range in experiments of dipole magnetostatic waves about of two orders. It is made the comparison of founded curves with the same for classic Damon-Eshbach task and also for classic exchange wave in infinite space and thin plate. It is shown that the consideration with demagnetization direct to the increasing of dispersion curves in the region of wave numbers having values more the inverse value of plate thickness. It is shown that the exchange interaction leads to the quadratic exchange of dispersion curves which is more increased from dispersion curves for surface waves founded in frames of classic Damon-Eshbach task. On the basis of founded dispersion relation with the consideration of demagnetization and exchange it is investigated the dependence of dispersion law for surface wave from the plate thickness. It is found that the dispersion curves for any thickness when the wave number is increased also increase by the law near to quadratic. In this case in region near the wave number values which are less from inverse value of plate thickness the steepness of dispersion curves increases when the thickness is decreases. In the region of wave number which are more than inverse value of plate thickness the steepness of dispersion curves when the thickness is decreases asymptotically try to attain the value which is determined by dispersion law when the demagnetization is absent. On the basis of founded dispersion relation with the consideration of demagnetization and exchange it is investigated the dependence of dispersion law for surface wave from the constant of exchange interaction. The investigation is made when the thickness of plate is equal to 1 micrometer. This choice ensures the visible influence of demagnetization about the middle of investigated range of wave number (so as 2x104 cm-1). As the standard it was established the value of exchange constant equal to the same in yttrium iron garnet. It is found the dispersion curves having different values of exchange constant in the region from unit to hundred standard values. It is shown that when constant value exchanged from unit near the standard value the dispersion curve positioned less higher from classic Damon-Eshbach curve but its quadratic character is in visible not maintained. It is founded that for visible manifestation of quadratic character it is necessary the increasing of exchange constant more than one order in comparison with standard value. In this case the exceeding of constant above standard to two orders brings to the whole predomination of quadratic law over the classic. It is mentioned the connected with numerical character of task decision technical reason of limitation of longitudinal wave number by the value of 4x104 cm-1. Its reasons is founded and the way of its overcoming is proposed. As a most important task for further investigation it is established the necessity of expansion of investigated region of longitudinal wave number no less than two orders of value.

Key words: magnetostatic wave, demagnetizing field, exchange interaction, wave dispersion, nanoscale.

 

Для цитирования:

В.И.Щеглов. Влияние обменного взаимодействия и динамического размагничивания на дисперсию поверхностной волны Дэймона-Эшбаха. Часть 2. Дисперсионное соотношение. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep19/8/text.pdf

DOI 10.30898/1684-1719.2019.9.8