53. Цилиндрические магнитные домены

Образование цилиндрических магнитных доменов происходит в тонких магнитных пленках, под которыми понимают слои ферромагнитных и ферримагнитных веществ толщиной порядка микрона и менее. Особенностью тонких пленок является то, что при малой толщине их (h << а,b) направление легкого намагничивания оказывается расположенным в плоскости пленки. Образуются плоские домены.

Для очень тонких пленок характерна однодоменная структура, для пленок толщиной свыше 10'3 — 10'2 мм - многодоменная, состоящая из длинных узких доменов (шириной от долей мкм до нескольких мкм), намагниченных в противоположных направлениях. Под воздействием внешнего поля вся система полос может перемещаться и поворачиваться, и ее используют как управляемую дифракционную решетку для света и ближайшего диапазона волн электромагнитного спектра.

Особый интерес представляют монокристаллические пленки некоторых ферритов с одноосной магнитной анизотропией, под которыми понимают материалы, имеющие лишь одну ось легкого намагничивания. Если плоскость пленки перпендикулярна оси легкого намагничивания, то в отсутствие внешнего поля пленка обладает лабиринтной доменной структурой, т.е. вследствие одноосной анизотропии образуются домены с противоположным направлением спонтанной намагниченности (светлые и темные места на рис. 23,6). Внешнее поле, перпендикулярное плоскости пленки, изменяет геометрию доменной структуры. По мере увеличения напряженности поля сначала происходит разрыв лабиринтной структуры, домены принимают форму гантелей, а затем образуются цилиндрические магнитные домены (ЦМД), или «магнитные пузырьки» (рис. 23, в) При дальнейшем увеличении напряженности поля диаметр ЦМД постепенно уменьшается и при некотором значении Н вся пленка намагничивается однородно, т.е. цилиндрические домены исчезают. Отсюда следует, что ЦМД существуют только в определенном диапазоне значений напряженности поля НВНЕШ.

Для качественного объяснения причин образования ЦМД можно провести формальную аналогию между каплей жидкости, находящейся на твердой подложке, и доменами- На каплю действует два рода сил: сила тяжести, под действием которой капля растекается по поверхности, и силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать капле форму сферы. На домен в отсутствие внешнего поля НВНЕШ. действуют также два рода сил: силы магнитостатического происхождения, стремящиеся растянуть домен, и силы, связанные с наличием энергии доменной стенки, стремящиеся сжать домен. Количественно в отсутствие поля это приводит к «растеканию» домена по поверхности с образованием лабиринтной структуры. Если создать поле НВНЕШ., то возникает третья сила, связанная с взаимодействием домена с внешним полем. Эта сила действует по направлению нормали к поверхности, т.е. сжимает домен. При достаточно большом значении напряженности поля НВНЕШ, образуется ЦМД.

Впервые ЦМД были обнаружены в ортоферритах, обладающих орторомбичсской структурой (иска-женной структурой типа перовскита) и имеющих химический состав МеFеОз, где Ме - трехвалентный ион иттрия или редкоземельного элемента. В дальнейшем устойчивые цилиндрические магнитные домены были получены в ферритах со структурой граната, гексаферритах и некоторых металлических магнитных пленках.

Линейные размеры ЦМД в ортоферритах составляют десятки или даже сотни микрометров, а в пленках феррогранатах – единицы микрометров.

Цилиндрические магнитные домены, существующие в определенном интервале Н, представляют большой интерес при создании логических и запоминающих устройств. При этом значению «1» соответствует наличие домена в определенной точке информационной среды, а значению «0» - его отсутствие. Если в плоскости пленки создать неоднородное магнитное поле, то можно наблюдать перемещение ЦМД под действием этого поля. Высокой подвижностью доменных границ характеризуются ортоферриты (Г = VГ/Н = 10-2-10-1 м2/(А•с)).

В настоящее время разработаны способы, позволяющие генерировать домены, управлять их перемещением, фиксировать их наличие или отсутствие в заданной точке (т.е. считывать информацию). Управление дискретным перемещением ЦМД в заданном направлении осуществляется с помощью магнитостатических ловушек. Распространенным способом создания таких ловушек является нанесение пермаллоевых аппликаций определенной конфигурации на поверхность ферритовой пленки.

Изменяя направление управляющего поля, действующего в плоскости пленки, можно изменять полярность магнитных зарядов на элементах аппликации. На рис. 24 полярность полюсов условно обозначена символами «+» и « – » ; предполагается, что цилиндрические домены выходят на поверхность пленки своими отрицательными полюсами, т.е. притягиваются к положительным магнитным зарядам на элементах аппликаций. При коммутации поля НУПР происходит переход ЦМД с одной аппликации на другую.

Считывание информации может быть осуществлено, например, с помощью датчиков Холла или магниторезисторов. В холловском датчике индуцируется э.д.с. под действием магнитного поля домена, а в магниторезисторах используется эффект изменения электрического сопротивления материала в магнитном поле.

Устройство на ЦМД характеризуется большой информационной емкостью и малой потребляемой мощностью.