Магнитооптический метод наблюдения фаз магнитной упорядоченности пленок редкоземельных ферритов-гранатов с точкой компенсации

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Известно, что вблизи температуры магнитной компенсации многие физические свойства редкоземельных ферритов-гранатов меняются, образуя различные фазы магнитной упорядоченности. При определенных значениях магнитного поля при температуре магнитной компенсации возникает неколлинеарная фаза, когда намагниченности подрешеток не коллинеарны как друг другу, так и внешнему магнитному полю [1−4].

Пленки ферритов-гранатов обладают хорошей прозрачностью в области видимого спектра и характеризуются большим углом фарадеевского вращения. Поэтому визуальные методы на основе магнитооптического эффекта Фарадея широко используются в экспериментах с ферритами-гранатами [5, 6].

Вместе с тем до настоящего времени остается широкий круг нерешенных задач, в которых стандартные методики магнитооптической визуализации недостаточно эффективны.

В данной работе с целью наблюдения и изучения неколлинеарной фазы предложена модернизация традиционного подхода магнитооптических методов исследования ферримагнетиков, основанных на эффекте Фарадея. В созданной установке был осуществлен управляемый латеральный градиент температуры вдоль плоскости образца. Данный подход позволил наблюдать одновременно несколько фаз магнитной упорядоченности, а также процесс возникновения и исчезновения неколлинеарной фазы в исследуемых ферримагнетиках. В созданной установке на основе сверхпроводящего магнита можно проводить измерения в диапазоне температур от 150 до 400 К и в диапазоне магнитных полей от 0 до 10 Тл. Латеральный градиент температуры можно регулировать от 0 до 12 градусов.

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

Для исследования магнитных свойств и магнитооптической визуализации распределения нормальной компоненты намагниченности эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов была изготовлена специальная вставка, помещавшаяся в криостатирующую систему GFSG-510-2K-SCM10T-VTI29 (ООО “Криотрейд инжиниринг”) со сверхпроводящим магнитом. Все компоненты вставки были сделаны из немагнитных материалов. Вставка представляла собой трубку диаметром 28 мм и длиной 1000 мм, к которой крепился вакуумный фланец с контактной группой (рис. 1). Вставка включала в себя источник света, поляризатор, анализатор, цифровую видеокамеру с микроскопом с 500-кратным увеличением (рис. 2), держатель образца (рис. 3) с нагревателем и датчиком температуры. В средней части держателя образца находится полый цилиндр из тефлона, внутри которого были закреплены светодиод и поляризатор. Поляризатор неподвижен относительно держателя образца. Анализатор крепился непосредственно на объективе микроскопа неподвижно относительно вставки. Образцы размещались таким образом, чтобы плоскость пленки была перпендикулярна направлению внешнего магнитного поля.

 

Рис. 1. Вставка с держателем образца и цифровой камерой с микроскопом.

 

Рис. 2. Цифровая камера с микроскопом.

 

Рис. 3. Держатель образца.

 

Перед началом эксперимента проводилась настройка пары поляризатор-анализатор. Держатель с образцом помещался в трубку вставки. Диаметр нижней части держателя образца подбирался так, чтобы плотно входить в трубку вставки. Держатель образца вращался вокруг оси вставки, меняя выделенное направление поляризатора. После достижения максимального контраста изображения доменов в микроскопе положение держателя образца закреплялось латунными винтами М2. Таким образом снаряженная вставка помещалась в криостат со сверхпроводящим магнитом.

Для создания градиента температуры по плоскости образца использовались два элемента Пельтье, создающих тепловые потоки в противоположных направлениях (рис. 3). Градиент температур измерялся дифференциальной термопарой. Поляризатор и источник света размещались на держателе образца, а анализатор помещался перед объективом микроскопа. Управление микроскопом и камерой осуществлялось через USB-порт.

Образцы представляли собой пленки феррита-граната (BiYGd)₃(FeGa)₅O₁₂, полученные при эпитаксиальном синтезе на подложке граната (CdMg)₃(GaZrCa)₅О₁₂. Размер образов – 10×10 мм², толщина пленки феррита граната – 5 мкм. Диаметр наблюдаемой в микроскоп области – 3 мм. Температура компенсации образцов составляла 325–345 К.

В отсутствие внешнего магнитного поля при температуре ниже точки магнитной компенсации в образце формируется крупноблочная доменная структура. Намагниченность в доменах направлена вдоль нормали к плоскости пленки, а домены различаются направлением намагниченности. Полидоменное состояние образца используется для настройки прибора: поляризатор и анализатор устанавливаются так, чтобы обеспечить максимальный контраст изображения доменной структуры. Общая схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.

 

Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1 – источник света, 2 – поляризатор, 3 – термостатирующий столик, 4 – элемент Пельтье, 5 – исследуемый образец, 6 – анализатор, 7 – микроскоп, 8 – датчик температуры, 9 – элемент Пельтье, 10 – дифференциальная термопара.

 

Вставка помещалась в криостатирующую систему GFSG-510-2K-SCM10T-VTI29 (ООО “Криотрейд инжиниринг”) со сверхпроводящим магнитом, обеспечивающую постоянное магнитное поле до 10 Тл, направленное по нормали к плоскости образца (рис. 5).

 

Рис. 5. Криостатирующая система GFSG-510-2K-SCM10T-VTI29 (ООО “Криотрейд инжиниринг”) со сверхпроводящим магнитом и ее схема.

 

Все измерительные приборы и блок питания магнита были объединены в единую сеть и управлялись компьютером с помощью программ, написанных с использованием среды разработки и программной платформы LabVIEW. Это позволило автоматизировать режимы изменения величины магнитного поля и температуры. Все наблюдаемые величины автоматически записывались в файл, а наблюдаемые процессы и численные значения параметров магнитного поля, температуры и градиента температур записывались в видеофайл.

Данная конструкция позволяет наблюдать доменную структуру образцов и фазовые переходы в диапазоне температур от 150 до 400 К. Градиент температур в плоскости образца может изменяться в диапазоне от 0 до 12 К. Результаты проведенных экспериментов показаны на рис. 6.

 

Рис. 6. а) Домены в отсутствие внешнего магнитного поля. б) Коллинеарные фазы разной направленности (области 1, 2) во внешнем магнитном поле 0.5 Тл в области магнитной компенсации. в) Магнитные фазы во внешнем магнитном поле 1 Тл в области магнитной компенсации: области 1, 2 – коллинеарные фазы противоположной направленности, область 3 – неколлинеарная фаза.

 

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем результаты настоящей работы:

1. Создана экспериментальная установка для наблюдения с помощью магнитооптического эффекта Фарадея доменных структур ферримагнитных пленок, которая обеспечивает возможность одновременно наблюдать области, соответствующие различным магнитным фазам благодаря наличию управляемого латерального градиента температуры в плоскости образца.
2. С помощью установки обнаружены условия возникновения двух коллинеарных магнитных фаз, разделенных компенсационной доменной границей, а также условия существования неколлинеарной магнитной фазы в материалах (BiYGd)₃(FeGa)₅O₁₂.
3. Результаты экспериментов показали, что данная установка позволяет непосредственно наблюдать доменную структуру и процессы магнитных фазовых спин-переориентационных переходов в пленках редкоземельных ферритов-гранатов в области магнитной компенсации. В дополнение к известным результатам исследований неколлинеарных фаз [6–8] исследования с помощью описанной установки позволили выявить новые различия в характере поведения фазовых диаграмм пленок магнетиков состава (BiYGd)₃(FeGa)₅O₁₂.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-22-00754).

About the authors

Д. А. Суслов

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: sda_53@mail.ru
Russian Federation, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7

П. М. Ветошко

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Email: sda_53@mail.ru
Russian Federation, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7

А. В. Маширов

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Email: sda_53@mail.ru
Russian Federation, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7

С. Н. Полулях

Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского

Email: sda_53@mail.ru
Russian Federation, 295007, Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4

В. Н. Бержанский

Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского

Email: sda_53@mail.ru
Russian Federation, 295007, Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4

В. Г. Шавров

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Email: sda_53@mail.ru
Russian Federation, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7

References

Supplementary files