Магнитные домены

Понятие магнитных доменов

Магнитные домены — это области внутри ферромагнитного кристалла, в которых магнитные моменты атомов ориентированы преимущественно в одном направлении. Эти области разделены между собой так называемыми доменными стенками, в пределах которых происходит постепенное переориентирование магнитных моментов между соседними доменами. Возникновение доменов обусловлено стремлением системы минимизировать полную энергию, включающую обменную энергию, энергию анизотропии, энергию магнитостатического взаимодействия и энергию, связанную с упругими деформациями.

Энергетические факторы формирования доменов

Обменная энергия. Обменное взаимодействие между спинами соседних атомов стремится сделать их параллельными. Эта энергия минимизируется, если магнитные моменты всех атомов ориентированы в одном направлении, что соответствует однородно намагниченному состоянию. Однако такое состояние приводит к значительным магнитостатическим потерям.
Магнитокристаллическая анизотропия. В кристалле существуют определённые направления, вдоль которых намагничивание происходит с минимальными затратами энергии. Эти направления называются легкими осями намагниченности. Если бы обменное взаимодействие было единственным фактором, весь кристалл намагничивался бы вдоль одного направления, однако из-за анизотропии могут формироваться домены с намагниченностью вдоль различных, но эквивалентных направлений.
Магнитостатическая энергия. При однородной намагниченности кристалла возникают магнитные поля вне кристалла — так называемые размагничивающие поля. Они способствуют возникновению внутренних доменов с противоположным направлением намагниченности, уменьшая тем самым внешнее магнитное поле и соответствующую ему магнитостатическую энергию.
Энергия доменных стенок. Образование доменов требует наличия переходных слоёв — доменных стенок, в которых спины последовательно поворачиваются от ориентации в одном домене к ориентации в соседнем. Энергия, связанная с доменной стенкой, пропорциональна её площади. Поэтому слишком мелкое дробление на домены энергетически невыгодно, и возникает оптимальный размер доменов.

Типы доменных структур

В зависимости от кристаллографической симметрии материала и формы образца, в нём могут формироваться различные типы доменов:

180° домены — магнитные моменты в соседних доменах направлены строго противоположно, например, вдоль оси [100] и [−100].
90° домены — намагниченности соседних доменов ориентированы под прямым углом, например, вдоль осей [100] и [010].
Тонкие ленточные домены — возникают в тонких плёнках и лентах для снижения размагничивающего поля.
Циклоидальные и вихревые домены — наблюдаются в микроструктурах, где конкурируют различные виды анизотропии.

Доменные стенки

Переход между доменами осуществляется через доменные стенки. Существует несколько типов стенок:

Блоха — наиболее распространённый тип в объёмных ферромагнетиках. В этой структуре вращение магнитного момента происходит в плоскости, перпендикулярной доменной стенке.
Нееля — встречается в тонких плёнках и ближе к поверхности. Вращение происходит в плоскости стенки.
Хиральные стенки — в материалах с сильным обменом типа Дзялошинского-Мория, где возникает предпочтительная ориентация вращения моментов.

Толщина доменной стенки определяется балансом между обменной энергией (предпочитающей более плавный поворот спинов) и энергией анизотропии (предпочитающей резкий переход). Обычно она составляет от нескольких нанометров до десятков нанометров.

Процессы изменения доменной структуры

Под действием внешнего магнитного поля происходит изменение доменной структуры:

Рост доменов, направленных вдоль поля за счёт сжатия доменов с противоположной намагниченностью.
Смещение доменных стенок. Это основной механизм намагничивания на начальной стадии.
Переориентация магнитных моментов внутри доменов — реализуется при насыщении, когда все домены ориентируются вдоль поля.

При снятии поля домены частично возвращаются к исходному состоянию, что приводит к гистерезису.

Гистерезис и его связь с доменами

Цикл гистерезиса отражает не только процессы изменения намагниченности, но и сложную динамику доменных стенок. Например:

Коэрцитивная сила характеризует сопротивление материала к размагничиванию и зависит от подвижности доменных стенок.
Остаточная намагниченность отражает наличие доменов, сохранивших ориентацию вдоль прежнего поля.
Потери на гистерезис связаны с внутренними трениями при движении стенок и с их пиннингом на дефектах.

Влияние дефектов и примесей

Дефекты кристаллической решётки, такие как вакансии, дислокации, границы зёрен, а также включения посторонних фаз, служат центрами пиннинга доменных стенок. Это приводит к:

затруднению движения стенок;
увеличению коэрцитивной силы;
искажению формы доменов.

Специальная термическая и механическая обработка позволяет контролировать эти свойства, например, при получении магнитомягких и магнитожёстких материалов.

Методы наблюдения доменной структуры

Современные методы визуализации магнитных доменов позволяют исследовать их динамику и морфологию:

Оптический метод Керра — основан на изменении поляризации отражённого света от намагниченной поверхности.
Микроскопия магнитной силы (MFM) — разновидность атомно-силовой микроскопии с магнитно-чувствительным зондом.
Лоренц-микроскопия — использует отклонение электронов в магнитном поле внутри доменов.
Рентгеновская магнитная круговая дихроизмия (XMCD) — позволяет получать томографические изображения доменов с элементной чувствительностью.
Методы на основе сканирующего зонда — такие как спин-Поляризованная СТМ или NV-центры в алмазе.

Применение знания о доменах

Понимание доменной структуры критично при разработке:

Жестких магнитов — где важна высокая коэрцитивность;
Магнитомягких материалов — с лёгкой перестройкой доменной структуры;
Магнитных запоминающих устройств — с использованием одиночных доменов или доменных стенок как носителей информации;
Спинтроники — где движение и манипулирование доменными стенками может использоваться в логических устройствах.

Финальные замечания по теории доменов

Теория магнитных доменов — важнейший раздел физики ферромагнетиков. Она сочетает в себе квантовомеханическое описание обменных взаимодействий и макроскопическую термодинамику магнитного материала. Современные исследования в этой области активно развиваются в направлениях топологических дефектов (скермийонов, магнитных вихрей), динамики доменных стенок под действием тока и поля, а также в наноструктурированных и двумерных материалах.