Магнетизм

Магнетизм - раздел физики, изучающий свойства магнитных тел и связанных с ними явлений. Магнитные свойства присущи всем материальным образованиям. Множество явлений окружающего нас мира определяется магнитными силами. Солнце, Земля и другие космические тела представляют собой своеобразные магниты. Звезды создают вокруг себя мощные магнитные поля. Такие поля могут меняться, возбуждая магнитные бури. Солнечные магнитные бури искажают показания компасов, нарушают радиосвязь, оказывают влияние на жизнедеятельность организмов и т. д.

Магнитные свойства вещества определяются характером движения электронов в его атомах или ионах. Во многих веществах, особенно в металлах, электроны совершают сложное движение по всей толще кристалла. Для того чтобы понять природу магнитных свойств вещества, нужно установить законы такого движения. Это стало возможным только после того, как появилась квантовая механика. На основе модели атома, предложенной Н. Бором, удалось объяснить, почему некоторые атомы или ионы обладают магнитным моментом. От упорядоченности и взаимной ориентации этих моментов в основном и зависят магнитные свойства вещества.

Известный советский физик-магнетолог академик С. В. Вонсовский, председатель оргкомитета Международной конференции по магнетизму, проходившей в Москве в 1973 г., подчеркивал, что универсальность магнетизма можно понять исходя из теории атомного строения.

"Как известно, - отмечал он, - атомы имеют электрическую структуру. Они состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, вращающихся подобно планетам вокруг ядра - Солнца. Кроме того, и электроны и ядра обладают своеобразным внутренним вращением. Их орбитальное и внутреннее движения создают внутриатомные микроскопические электрические токи. Они, так же как и ток, текущий по обычным проводам, создают в окружающем пространстве магнитное поле, определяющее силы притяжения и отталкивания между носителями тока.

Отсюда следует, что каждый электрон и каждое ядро представляет собой атомный магнитик. В силу этого все тела, построенные из атомов, являются источниками магнитного поля, или, как теперь принято говорить, магнетиками. Однако такие вещества не исчерпывают собой всю окружающую нас материю. Существует еще одна важная ее форма - электромагнитная, к которой относятся как видимый свет, так и невидимые излучения -инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они частично также обладают магнитными свойствами. Таким образом, все в окружающем мире, от элементарных частиц вещества до безграничного космического пространства, заполненного световой материей, имеет магнитную природу.

Конечно, не во всех случаях эти свойства материи достаточно ярки, чтобы их можно было легко обнаружить и измерить. Большинство тел слабомагнитны. Это обусловлено тем, что в обычных условиях все микроскопические атомные магнитики распределены в пространстве хаотически, направления их полей не упорядочены и потому результирующий эффект всего тела оказывается нулевым. И только с помощью внешних воздействий, например магнитного поля от проволочной катушки - соленоида, по которой течет достаточно сильный постоянный электрический ток, можно заставить "зазвучать" магнетизм слабомагнитного тела".

Те тела, которые намагничиваются вдоль влияющего на них внешнего поля, называют парамагнетиками. Если же намагничивание идет против поля, то это будут диа-магнетики. Существуют вещества, в которых ниже определенной температуры возникает самопроизвольная параллельная ориентация атомных магнитиков. Это ферромагнетики. К ним относятся прежде всего железо, никель, кобальт и многочисленные их соединения. В последнее время ферромагнетизм нашли также в группе редкоземельных элементов. В хроме и марганце, в некоторых лантаноидах и их соединениях обнаружен еще один тип магнитного порядка, при котором соседние атомные магнитики ориентируются строго упорядочение, но антипараллельно друг другу. Это антиферромагнетики. Существуют два типа антиферромагнетиков - в одном наблюдается полная компенсация намагниченности тела, в другом - разностная самопроизвольная намагниченность (ферримагнетики).

Магнитные упорядоченные тела - ферро- и ферри-магнетики - нашли широкое применение в ведущих областях современной техники. Из них изготовляются мягкие и жесткие технические магнитные материалы. Мягкие являются прекрасными проводниками магнитного потока и легко поддаются малейшим внешним влияниям. Жесткие очень слабо поддаются внешним магнитным влияниям и служат хорошим источником постоянных полей, поэтому из них производят постоянные магниты.

Без магнитных материалов не было бы электротехнического машиностроения. Главные части каждого генератора, электромотора и трансформатора делают из мягких магнитных материалов - динамного и трансформаторного железа. В аппаратуре связи в качестве важнейших конструкционных элементов используются разнообразные магнитные материалы. Без них не было бы электронной вычислительной техники, магнитной звукозаписи и т. п.

Перед наукой стоит множество проблем по раскрытию неизвестных закономерностей, явлений и свойств объектов природы, обладающих магнетизмом. Большие задачи предстоит решить в области космического 'магнетизма (происхождение магнитных полей звезд, природа магнитных полей межзвездных пространств и т. д.).

Среди небесных тел земной группы, куда входят Венера, Марс, Меркурий и куда можно отнести и спутницу нашей планеты Луну, Земля выделяется прежде всего сравнительно сильным магнитным полем. Многие считают, что благодаря этому на Земле и возникла жизнь. "Магнитный щит" ограждает нашу планету от губительных потоков заряженных космических частиц. По современным представлениям, магнитное поле Земли существует за счет движения в ее жидком ядре и ее вращения.

В настоящее время большое значение придается проблеме получения сильных и сверхсильных магнитных полей (10⁶-10⁸Э). Это одна из важнейших задач не только магнетизма, но и всей физики твердого тела. Coздание таких полей поможет разобраться в явлениях квантового магнетизма электронных систем твердых тел, что, в свою очередь, сулит открытие новых перспектив для квантовой радиоэлектроники, позволит коренным образом изменить технику мощных ускорителей и установок по созданию управляемых процессов в термоядерной плазме и т. п.

Получение сверхсильных магнитных полей сопряжено с большими трудностями. Железные сердечники, применяемые обычно для усиления магнитного поля в катушках, здесь бесполезны, остается увеличивать ток, пропускаемый через катушки. При этом приходится сооружать систему охлаждения. Кроме того, резко возрастает механическое напряжение в витках катушки. Однако коллектив специалистов под руководством академика А. М. Прохорова создал установку "Соленоид", предназначенную для генерирования постоянных магнитных полей силой до 150 тыс. Э. А сотрудниками Института атомной энергии имени И. В. Курчатова и Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова в содружестве со специалистами организаций Государственного комитета СССР по использованию атомной энергии удалось создать магнитную систему, на которой впервые в мире получено стационарное магнитное поле напряженностью 250 тыс. Э.

Интересные планы связаны с развитием квантовой магнетооптики. Они охватывают, в частности, методы использования магнитных веществ в качестве рабочих тел для оптических квантовых генераторов. Широкие возможности открываются на стыке магнетизма и сверхпроводимости. Можно ожидать фундаментальных открытий новых магнитных свойств сверхпроводников.

Наука о магнетизме позволяет поднять на новый уровень службу контроля. Такие важные свойства металлов, как прочность, пластичность и долговечность, находятся в прямой зависимости от структуры сплава. Малейшие изменения этой структуры вызывают изменение магнитных свойств металлов. Располагая информацией о магнитных свойствах металла, можно предсказать судьбу детали, изготовленной из определенного сплава.

Заведующий кафедрой магнетизма МГУ, профессор, доктор физико-математических наук Е. И. Кондорский, рассказывая о творческом содружестве кафедры с лабораторией физических методов исследований ЗИЛа в десятой пятилетке, отмечал:

"Совместно мы будем составлять важный для производственников атлас, раскрывающий связь магнитных и механических свойств сталей разных марок. Он послужит ключом к расшифровке структур металлов, подскажет путь изменения технологических циклов, позволяющий существенно улучшить качество изделий".

Развитие магнетохимических исследований слабомагнитных веществ открывает перспективы для постановки широких исследований магнитных свойств биологических веществ. Есть все основания полагать, что в ближайшие годы магнитобиология станет одним из важнейших разделов биофизики.

Зная свойства магнита, можно будет совершить переворот в технике железнодорожного транспорта. Появятся транспортные средства с бесконтактным подвешиванием над путевым устройством, использующие эффект магнитной подушки. Они будут развивать скорость до 600 км/ч. Ряд научных организаций Москвы, Киева, Ростова и других городов ведет разработку системы высокоскоростного наземного транспорта на магнитной подвеске.

Магнитные поля на ядрах атомов немагнитных элементов

Научные сотрудники Института атомной энергии имени И. В. Курчатова Б. Н. Самойлов, В. В. Скляревскийи Е. П. Степанов открыли явление возникновения магнитных полей на ядрах атомов немагнитных элементов. Было известно, что в твердых телах такие поля есть на ядрах немногих химических элементов. Исследования позволили сделать вывод, что, создав определенные условия, можно получить такие поля на ядрах атомов всех элементов таблицы Менделеева.

Экспериментаторы изучали свойства сплавов железа с золотом, индием, сурьмой. Опыты велись при температурах, близких к абсолютному нулю. Оказалось, что у атомов немагнитных элементов, сплавленных с железом, возникают очень сильные внутриатомные магнитные поля, напряженность которых в отдельных случаях достигает миллионов эрстед.

Открытие было сделано в 1958 г. Оно изучено и подтверждено исследователями крупнейших лабораторий СССР, Англии, Венгрии, США, Японии и других стран.

Теоретическое и экспериментальное изучение обнаруженного явления развивает представления о природе магнетизма. Открытие дало возможность распространить исследования сверхтонких взаимодействий на все элементы таблицы Менделеева. В результате в ядерной физике и физике твердого тела значительно расширилась область применения таких исследовательских методов, как возмущенные угловые корреляции гамма-лучей, ядерный магнитный резонанс, эффект Мессбауэра. Благодаря этому открытию был создан новый метод поляризации атомных ядер, появились принципиально новые возможности для измерения магнитных моментов короткоживущих ядерных уровней, что очень важно для современной теории ядра.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 71 с приоритетом от 25 ноября 1958 г. Формула его такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление возникновения локальных магнитных полей (напряженностью от десятков тысяч до миллионов эрстед) на ядрах атомов немагнитных элементов при введении их в ферромагнетики".

Магнитоэлектрический эффект

Академик Л. Д. Ландау, член-корреспондент АН СССР Е. М. Лифшиц (Институт физических проблем АН СССР), доктор физико-математических наук И. Е. Дзялошинский (Институт теоретической физики АН СССР) и доктор технических наук Д. Н. Астров (Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений) обнаружили магнитоэлектрический эффект в антиферромагнетиках.

Электрическое и магнитное поля в веществе различаются, в частности, тем, что первое не меняется при изменении направления течения времени, а второе меняется. Исходя из этого физики много лет считали, что между этими полями не может быть прямой связи, т. е. вещество не сможет, например, намагнититься в электрическом поле.

В 1957 г. Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц установили, что в принципе такая зависимость все же может наблюдаться. Для этого вещество должно менять свои свойства при изменении направления течения времени. Это может происходить в так называемых антиферромагнитных веществах, свойства которых определяются расположение ем микроскопических электронных токов атомов кри" сталла.

И. Е. Дзялошинский подробно изучил эту проблему и указал конкретно, какие именно вещества должны изменять свои свойства, если время будет течь в обратную сторону, или, иначе говоря, если все микроскопические магнитные поля атомов изменят свое направление. В таком случае исчезает отмеченная разнородность в свойствах электрического и магнитного полей. Ведь при изменении направления течения времени меняются и магнитное поле, и свойства вещества, в итоге "минус на минус дает плюс".

В 1959 г. Д. Н. Астров провел многочисленные эксперименты, которые показали, что вещества, названные И. Е. Дзялошинским, действительно намагничиваются, если их поместить в электрическое поле. Теоретические выводы авторов открытия были полностью подтверждены.

Магнитоэлектрический эффект служит важным инструментом исследования свойств антиферромагнитных веществ, к которым относятся окись титана, окись хрома, борсодержащие соединения и многие другие. Открытие позволяет получить сведения о магнитной структуре этих веществ без сложных нейтронографических экспериментов или дополнить и проверить их. Магнитоэлектрический эффект применяется в волноводных радиоустройствах СВЧ.

Открытие советских физиков подтверждено исследователями многих лабораторий мира. Так, например, в окиси хрома магнитоэлектрический эффект наблюдался учеными США. Их выводы полностью совпали с выводами авторов открытия. К настоящему времени известно несколько десятков антиферромагнитных веществ, для которых магнитоэлектрический эффект подтвержден экспериментально.

Описанное открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 123 с приоритетом от 30 июля 1957 г. (теоретическое обоснование) и от 28 декабря 1959 г. (экспериментальное обнаружение). Формула открытия дана в следующей редакции:

"Установлено неизвестное ранее явление намагничивания ряда веществ в антиферромагнитном состоянии электрическим полем и их электрической поляризации магнитным полем, обусловленное специфической симметрией расположения магнитных моментов в кристаллической решетке вещества".

Электронный парамагнитный резонанс

К числу фундаментальных открытий, раскрывающих тайны электрона, по праву относят открытие академиком Е. К. Завойским явления электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Оно было сделано в годы Великой Отечественной войны. В те времена автор открытия был доцентом Казанского государственного университета. В 1944 г. он провел важные научные эксперименты, положившие начало новой области науки - радиоспектроскопии и позволившие создать на новом принципе сотни изобретений.

Одна из японских фирм, выпускающая приборы, основанные на использовании электронного парамагнитного резонанса, сделала своей эмблемой ключ, вокруг которого на орбите движется электрон. Открытие советского ученого действительно стало ключом ко многим тайнам природы.

Все металлы в той или иной степени способны намагничиваться. Однако наиболее сильно намагничиваются только четыре чистых металла: железо, никель, кобальт и редкоземельный элемент гадолиний. Хорошо намагничиваются многие сплавы этих металлов: сталь, чугун и др., получившие название ферромагнитных сплавов. Значительно слабее намагничиваются алюминий, титан, хром, марганец, платина. Эти металлы называют парамагнитными. Группа других металлов, в которую входят олово, свинец, медь, серебро, золото, намагничивается очень слабо. К магниту эти металлы не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются от него. Они относятся к диамагнетикам. В диамагнитных телах магнитные тюля электронов и ядра взаимно погашают друг друга: Но в магнитном поле атомы этих металлов становятся миниатюрными магнитиками, причем северный полюс каждого диамагнитного атома оказывается против северного полюса внешнего магнита, и тело отталкивается от магнита. В парамагнитных и ферромагнитных телах магнитные поля электронов и ядра, складываясь, усиливают друг друга. o'o

Развитие учения о строении атома, появление квантовой теории позволили глубже понять природу магнетизма. Стало ясно, что магнитные свойства вещества заложены в мельчайших частицах атома - электронах, протонах, нейтронах. Эти частицы напоминают крошечные намагниченные волчки. Все дело в том, как скомбинированы эти волчки в атомах и молекулах.

И ферромагнетизм и парамагнетизм своим происхождением обязаны главным образом электронам. В железе и подобных ему сильномагнитных телах электроны объединены в большие колонии - домены. Во внешнем магнитном поле все магнитики электронов такой колонии, как по команде, выстраиваются одинаково, т. е. их действия суммируются, поэтому тело сильно намагничивается. В парамагнетиках электроны гораздо менее "дисциплинированы". Они более связаны с окружающими их атомами и молекулами, поэтому такие тела намагничиваются меньше. Однако, хотя их реакция на внешнее магнитное поле слабее, именно по ней приходится определять строение и состав вещества.

ЭПР - это отклик магнитных атомов, молекул или электронов на радиоволны. Он имеет резонансный характер. Резонанс возникает, когда частота радиоволны совпадает с частотой вращения магнитного момента атома. Последняя зависит от силы внешнего магнитного поля и от электрических и магнитных микрополеи в самом веществе. Поэтому, меняя силу поля, нетрудно создать условия для парамагнитного резонанса. Тело начнет сильно поглощать, преломлять и отражать радиоволны. Наблюдая любое из этих явлений, легко установить присутствие в нем даже ничтожного количества магнитных частиц и, самое главное, определить тончайшие особенности структуры микрополеи внутри вещества, что невозможно сделать другими физическими методами. Благодаря этому ЭПР широко используется в физике твердого тела, ядерной физике, химии (для изучения обширного класса веществ, называемых радикалами), биологии, медицине, технике.

В последние годы ЭПР нашел применение в дальней космической связи и астрофизике. Так, с помощью квантовых усилителей радиоизлучения (мазеров), использующих ЭПР, действуют линии связи с космическими станциями, работают гигантские радиоастрономические интерферометры, служащие для изучения звездных источников радиоизлучения. На ЭПР основаны поиск и технологическая проверка веществ, составляющих основу квантовых генераторов и усилителей. Испытание активного вещества квантового генератора с помощью ЭПР позволяет заранее определить пригодность его для работы.

Открытие Е. К. Завойского внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 85 с приоритетом от 12 июля 1944 г. Формула его такова:

"Установлено неизвестное ранее явление квантовых переходов между электронными энергетическими уровнями парамагнитных тел под влиянием переменного магнитного поля резонансной частоты (явление электронного парамагнитного резонанса)".

Магнитоакустический резонанс

Академик АН УССР А. И. Ахиезер и кандидаты физико-математических наук В. Г. Барьяхтар и С. В. Пелетминский (Физико-технический институт АН УССР) открыли ранее неизвестное явление магнитоакустического резонанса.

Суть его такова. Благодаря магнитострикциям и пон-дермоторному действию, обусловленному спонтанной намагниченностью, возникает связь между звуковыми и магнитными волнами в ферро-, ферри- и антиферромагнетиках, значительно возрастающая при сближении длин звуковых и спиновых волн. Это позволяет эффективно возбуждать магнитные волны с помощью звуковых волн, а звуковые волны - с помощью магнитных волн или внешнего переменного магнитного поля.

Открытие способствовало развитию нового направления в физике магнетизма. Научные исследования в этой области в основном связаны с проблемами экспериментального и теоретического изучения возбуждения ультразвуковых и гиперзвуковых волн с помощью внешнего переменного магнитного поля, а также возбуждения колебаний магнитного момента с помощью внешнего ультразвука.

Открытие дало физическое обоснование созданию генераторов гиперзвука и ультразвука. Отличительной чертой этих генераторов является возможность регулирования частоты генерируемого ультра- или гиперзвука с помощью изменения внешнего магнитного поля.

Магнитоакустический резонанс позволяет преобразовать распространяемый в магнитоупорядоченном кристалле электромагнитный сигнал в звуковой, а звуковой сигнал, в свою очередь, - в электромагнитный. Исследования рассеяния медленных нейтронов и света в условиях магнитоакустического резонанса помогают получить новые сведения о спектре элементарных возбуждений в маг-нитоупорядоченных кристаллах.

Возможна разработка интерферометров, использующих явление магнитоакустического резонанса. Одним из основных элементов этих приборов будет магнитоупорядоченный кристалл, в котором электромагнитные волны преобразуются в звуковые, а звуковые - в электромагнитные.

Названное открытие зарегистрировано под № 46 с приоритетом от 19 марта 1956 г. Формула открытия такова:

"Установлено неизвестное ранее явление взаимодействия гиперзвуковых и магнитных (спиновых) волн в ферро-, ферри- и антиферромагнетиках, особенно интенсивно проявляющееся в виде возбуждения магнитных волн гиперзвуковыми и гиперзвуковых волн магнитными при совпадении частот этих колебаний (магнитоакустический резонанс)".

Явление аномальной магнитной восприимчивости ферромагнетиков в оптическом диапазоне частот

Профессор, доктор физико-математических наук Г. С. Кринчик и старший научный сотрудник М. В. Четкий (МГУ имени М. В. Ломоносова) открыли явление аномальной магнитной восприимчивости ферромагнетик ков в оптическом диапазоне частот.

Долгое время считалось, что ферромагнитные вещества непрозрачны для радиоволн и света. В 40-х гг. были получены магниты, прозрачные для радиоволн, а в конце 50-х гг. - ферромагнитные кристаллы, прозрачные для видимого и инфракрасного света. Тогда же в физике магнитных явлений возникло новое направление - оптика прозрачных ферромагнитных кристаллов.

В становлении оптики ферромагнетиков существенную роль сыграли работы, выполненные на кафедре магнетизма физического факультета МГУ профессором Г. С. Кринчиком и старшим научным сотрудником М. В. Четкиным по исследованию прозрачных ферромагнетиков оптическими методами. Эти исследования привели к коренному изменению представлений о роли магнитной восприимчивости ферромагнетиков на оптических частотах.

Оптические свойства тел, в том числе и ферромагнитных, описываются с помощью диэлектрической и магнитной восприимчивостей. Раньше считалось, что магнитная восприимчивость ферромагнетиков на оптических частотах равна нулю, как и магнитная восприимчивость пустоты. Это означало, что ферромагнетик под действием света ведет себя подобно вакууму, что его нельзя намагнитить магнитным полем световой волны. Другими словами, коэффициент пропорциональности между напряженностью магнитного поля световой волны и магнитным моментом ферромагнетика равен нулю. Опыты с прозрачными ферромагнетиками показали, что это не так. Авторами открытия было доказано, что магнитное поле световой волны намагничивает ферромагнетик - заставляет магнитный момент ферромагнетика вращаться вокруг направления постоянного магнитного поля с частотой световой волны, т. е. 1014 раз в секунду.

"Открытие прецессии (вращения) магнитного момента с оптической частотой, - рассказывают Г. С. Кринчик и М. В. Четкий, - привело к обнаружению новых физических явлений в прозрачных ферромагнетиках. Световые волны с определенными направлениями электрического и магнитного полей называются поляризованными волнами. При прохождении такой волны через прозрачный ферромагнетик направление электрического поля волны непрерывно меняется - существует так называемое вращение плоскости поляризации (гиротропия). Это вращение в неферромагнитных веществах известно давно - эффект Фарадея открыт в середине прошлого века. Оно велико в ультрафиолетовой области спектра, а с продвижением в видимую и инфракрасную области спектра резко стремится к нулю. В ферромагнетиках этого стремления нет. Вращение здесь остается большим и не меняется в области максимальной прозрачности. В переходной области между видимым и инфракрасным диапазонами магнитооптические свойства кристалла определяются примерно в равной степени их диэлектрической и магнитной воспри-имчивостями, и мы получаем новую среду, названную нами бигиротропной".

Открытие способствовало продвижению в область действия оптических квантовых генераторов и в область динамических свойств ферромагнетиков в радио- и СВЧ-диапазонах. Оно позволило Г. С. Кринчику и М. В. Четкину создать приборы для управления световыми лучами - модуляторы света, устройства для считывания информации, записанной на ферромагнитных пленках, и др. На кафедре квантовой электроники Киевского государственного университета созданы устройства для измерения мощно.сти в диапазоне сверхвысоких частот. Магнитооптические модуляторы света работают в сильно сходящихся световых пучках в периодическом и импульсном режимах. Они обеспечивают стопроцентную модуляцию при малых управляющих мощностях.

Найдены прозрачные ферромагнетики, в которых постоянное вращение плоскости поляризации наблюдается не только в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн 2_8 мкм, но и в диапазоне 10-18 мкм, в котором оптический квантовый генератор на (ХЬ работает с наибольшим КПД. С помощью прозрачных ферромагнетиков можно создать приборы, хорошо пропускающие излучение лазера в одну сторону и совершенно не пропускающие его в другую - так называемые невзаимные устройства. Благодаря вращению плоскости поляризации света в прозрачных ферромагнетиках можно бесконтактным способом измерять силу тока в высоковольтных линиях электропередачи.

На основе открытия советских ученых родилась принципиально новая область техники, дальнейший прогресс которой в значительной мере связан с успехами синтезирования новых прозрачных магнитных кристаллов.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 175 с приоритетом от 17 марта 1961 г. Формула его такова:

"Установлено неизвестное ранее явление аномальной Магнитной восприимчивости ферромагнетиков в оптическом диапазоне частот, заключающееся в том, что магнитное поле световой волны вызывает аномально большую прецессию магнитного момента ферромагнетиков, приводящую к их бигиротропии и к частотно-независимому вращению плоскости поляризации света".

Явление разрыва доменных стенок в ферромагнетиках под воздействием магнитных полей

Ученые физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова профессора, доктора физико-математических наук Г. В. Спивак и Р. В. Телеснин, кандидаты физико-математических наук И. С. Колотов, О. С. Колотов и В. И. Петров и младший научный сотрудник Ю. А. Дурасова обнаружили явление образования и роста разрывов доменных стенок в ферромагнетиках под действием импульсных магнитных полей.

"Ферромагнетизм, - рассказывает В. И. Петров, - возникает благодаря особому, обменному взаимодействию электронов соседних атомов, что приводит к самопроизвольной, или спонтанной, намагниченности вещества. В размагниченном состоянии ферромагнетик разбивается на отдельные области - домены, самопроизвольно намагниченные в разных направлениях. Поведение этих доменов определяет многие важные свойства ферромагнетика. Открытие существования доменов и их изучение, выполненное при активном участии советских ученых Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшица, С. В. Вонсовского, Я. С. Шура и других, явилось важной вехой в познании природы ферромагнетизма.

При помещении ферромагнетика в магнитное поле направление намагниченности в нем может изменяться и в кбнце концов способно стать одинаковым для всего ферромагнетика. Изменение направления намагниченности называется перемагничиванием. До самого последнего времени исследовались в основном лишь равновесная или квазиршвновесная доменная структуры ферромагнетика, наблюдаемые в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях. При медленных изменениях магнитного поля процесс перемагничивания ферромагнетика происходит путем либо смещения границ между доменами, так называемых доменных стенок, либо поворота намагниченности внутри домена.

Очень часто процесс перемагничивания необходимо убыстрить. Это относится, например, к устройствам памяти электронных вычислительных машин. От скорости перемагничивания зависит быстродействие машины. Развитие радиолокаций, вычислительной техники, автоматики и других технических направлений, в которых ферромагнетики составляют основу широкого круга импульсных устройств, поставило на повестку дня вопрос об исследовании процессов быстрого перемагничивания. Правильный ответ на этот вопрос могло дать лишь непосредственное наблюдение и изучение динамической неравновесной доменной структуры и ее трансформации во времени".

Изучению этого вопроса помогли магнитные пленки. Они обладают сквозной по толщине доменной структурой, характеризуются малым влиянием вихревых токов, к ним применим ряд эффективных методов исследования. Так, в частности, их динамическую доменную структуру можно исследовать в просвечивающем электронном микроскопе с помощью стробоскопической методики, предложенной в 1965 г. профессором МГУ Г. В. Спиваком и его сотрудниками.

Метод стробоскопической электронной микроскопии заключается в том, что магнитная пленка "освещается" электронным пучком периодически в течение короткого интервала времени (стробимпульса). Синхронно и синфазно происходит импульсное перемагничивание пленки. На экране микроскопа или на фотопластинке получается неподвижное изображение магнитной микроструктуры пленки, соответствующее тому мгновенному состоянию динамической доменной структуры, которое создавалось в пленке в момент ее "освещения" электронным пучком. Меняя момент "освещения" относительно перемагничивающего импульса, можно последовательно наблюдать другие фазы процесса перемагничивания и получить общую картину изменения намагниченности во времени.

Авторами открытия под руководством профессоров МГУ Г. В. Спивака и Р. В. Телеснина в 1969-1970 гг. была создана уникальная установка - стробоскопический электронный микроскоп с временным разрешением в две миллиардные доли секунды. Это позволило в 1970-1972 гг. провести детальное исследование процессов импульсного перемагничивания, протекающих за время 10^-7-10^-8 с.

В начале импульсного перемагничивания в результате быстрого разворота локальных векторов намагниченности происходит образование полосовых доменов. Это сопровождается возникновением сильных магнитных полей рассеяния, которые внутри полосовых доменов направлены против перемагничивающего поля и поэтому тормозят вращение намагниченности в них. Развитие процесса затормаживается, он как бы на время приостанавливается. Образуется так называемая блокированная доменная структура. В этот момент начинает действовать механизм перемагничивания, раньше неизвестный: в доменных стенках появляются разрывы, которые растут со временем и распространяются от стенки к стенке. Доменные стенки разрушаются, практически не сдвигаясь с места. Причиной образования разрывов служат те же поля рассеяния, что блокировали доменные стенки, но внутри Доменных стенок эти поля направлены вдоль перемагничивающего поля и превышают его на один-два порядка.

Образование разрывов приводит к уменьшению полей рассеяния в близлежащих участках доменов, за счет чего эти участки быстро перемагничиваются путем вращения намагниченности. Это, в свою очередь, приводит к образованию новых разрывов и т. д. В конце концов происходит полное разрушение блокированной доменной структуры и соответственно полное перемагничивание объекта. Явление образования и роста разрывов доменных стенок наблюдается в магнитных полях, превышающих некоторое критическое значение.

Открытие широко применяется в современных отраслях техники - вычислительной технике, автоматике, телемеханике и т. д. Обнаруженное явление определяет ряд важнейших параметров магнитных элементов - время перемагничивания, пороговые поля, динамическую проницаемость и т. п. Знание природы импульсного перемагничивания позволяет более целенаправленно и активно управлять эксплуатационными характеристиками ферромагнетика. Результаты, полученные авторами открытия, учитываются при проектировании устройств, использующих тонкослойные магнитные покрытия в качестве систем памяти ЭВМ, гашения жестких цилиндрических доменов, продвижения этих доменов в устройствах микроэлектроники.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 159 с приоритетом от 21 сентября 1970 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление разрыва стенок блокированных доменов в ферромагнетиках и расширение области разрыва под воздействием импульсных магнитных полей при временах перемагничивания 10^-7-10^-8 с".

Эффект взаимодействия СВЧ и ультразвуковых колебаний в ферритах

В конце 50-х - начале 60-х гг. перед радиоэлектроникой СВЧ встала задача разработки малошумящих параметрических усилителей на основе ферромагнитных кристаллов. От ферромагнитных параметрических усилителей помимо общих достоинств ожидали преимуществ по сравнению, с другими типами СВЧ-параметрических усилителей, таких, например, как способность выдерживать значительные перегрузки по мощности, виброустойчивость, практически неограниченный срок службы и т. п.

Однако на первом этапе экспериментальных исследований эти надежды не оправдались. Ферромагнитные параметрические усилители не удовлетворяли предъявляемым требованиям. Они характеризовались большим уровнем шумов, не уменьшающихся даже с понижением температуры, и малым усилением. Потребовалось более глубокое исследование физики процессов, происходящих в ферромагнетике на СВЧ, а именно изучение как возбуждения, так и взаимодействия разного рода колебаний: магнитостатических, спиновых и упругих - в условиях действия сильного СВЧ-магнитного поля.

В ходе решения новых физических задач доктор физико-математических наук Я- А. Моносов и кандидат технических наук А. В. Вашковский (Институт радиотехники и электроники АН СССР) открыли ранее неизвестное явление. Оно заключается в том, что при определенном уровне СВЧ-поля ферромагнитный кристалл начинает излучать электромагнитные колебания широкого спектра с максимумом интенсивности вблизи частоты, равной половине частоты накачки. Были исследованы характеристики такого излучения в зависимости от длительности импульса и уровня накачки, частоты и амплитуды внешнего переменного магнитного поля, действующего на феррит, кристаллографической ориентации и т. д.

Открытие дало мощный толчок исследованиям сильно возбужденного состояния ферромагнетиков, иными словами, изучению нелинейного ферромагнитного резонанса. Все это способствовало созданию приборов на ферритах, широко применяемых в радиоэлектронике сверхвысоких частот. В ряде случаев эти приборы своей долговечностью и безотказностью в работе значительно превосходят полупроводниковые. Они выдерживают значительные мощности, не выгорают, весьма виброустойчивы и не боятся радиации.

Изобретения, основанные на принципах этого открытия, способствуют развитию радиолокации. Авторами открытия их сделано более десяти. Ряд этих изобретений патентуется за границей. В их числе устройство для возбуждения электромагнитных колебаний в феррите, способ возбуждения спиновых колебаний в ферромагнитных кристаллах СВЧ и др.

Описанное открытие зарегистрировано под № 42 с приоритетом от 21 марта 1963 г. Формула открытия такова:

"Обнаружено ранее неизвестное явление взаимодействия электромагнитных и отличных от них по частоте ультразвуковых колебаний в намагниченном феррите, заключающееся в том, что:

2) при воздействии на феррит ультразвуковых колебаний и электромагнитного поля СВЧ (частота 2 f) меньшего порога параметрического возбуждения в нем возникают электромагнитные колебания (частота f)".