Блоховские и неелевские стенки

Магнитные доменные стенки — это переходные области между магнитными доменами, в которых направление намагниченности постепенно изменяется от ориентации одного домена к ориентации соседнего. Физика доменных стенок играет ключевую роль в понимании магнитного поведения твердых тел, особенно ферромагнетиков и ферримагнетиков. В зависимости от характера вращения магнитного вектора различают Блоховские и Нéелевские стенки.

Структура и классификация доменных стенок

1. Блоховские стенки

Блоховская стенка характеризуется вращением магнитного момента в плоскости, перпендикулярной плоскости домена. Если обозначить направление намагниченности в первом домене как M1 и во втором как M2, то в пределах Блоховской стенки магнитный момент постепенно поворачивается по окружности в направлении, перпендикулярном нормали к стенке.

Основные характеристики:

  • Ширина стенки: определяется соотношением обменной энергии и магнитной анизотропии кристалла. В ферромагнетиках ширина Блоховской стенки обычно составляет десятки нанометров.
  • Энергия стенки: минимизируется за счет постепенного изменения направления магнитного момента, что уменьшает обменную энергию.
  • Применение: характерна для объемных кристаллов с малой анизотропией и относительно низкой поверхностной чувствительностью.

Формула для ширины Блоховской стенки:

$$ \delta_B \approx \pi \sqrt{\frac{A}{K}} $$

где A — константа обменной энергии, K — константа магнитной анизотропии.

2. Нéелевские стенки

Нéелевская стенка проявляется преимущественно в тонких пленках или поверхностных слоях, где магнитная намагниченность вращается в плоскости стенки, то есть в плоскости самой поверхности. Это уменьшает появление магнитного заряда на поверхности и, следовательно, энергетическую стоимость магнитного поля вне материала.

Основные характеристики:

  • Ширина стенки: аналогично Блоховской, определяется обменной энергией и анизотропией, но может быть шире в тонких пленках за счет демагнитизационных эффектов.
  • Энергия стенки: обычно меньше у тонких пленок, так как минимизируется магнитное поле вне кристалла.
  • Применение: тонкие пленки, магнитные записи высокой плотности, магнитные сенсоры.

Формула для ширины Нéелевской стенки:

$$ \delta_N \approx \pi \sqrt{\frac{A}{K + \mu_0 M_s^2}} $$

где μ0Ms2 — демагнитизационный член, учитывающий поверхностное магнитное поле.

Энергетическая характеристика стенок

Энергия доменной стенки σ определяется вкладом обменной и анизотропной энергии:

$$ \sigma = \int \left( A \left( \frac{d\theta}{dx} \right)^2 + K \sin^2 \theta \right) dx $$

  • θ(x) — угол между локальной намагниченностью и направлением легкой оси.
  • Для Блоховской стенки интеграл сводится к классическому решению гиперболического тангенса:

θ(x) = 2arctan (ex/δB)

Энергия стенки обычно составляет несколько эрг/см² для типичных ферромагнетиков и является критическим фактором для движения доменных стенок в магнитных материалах.

Динамика и движение стенок

Движение доменных стенок под действием внешнего магнитного поля или механического воздействия определяется балансом сил:

$$ F = -\frac{\partial \sigma}{\partial x} + \alpha \frac{dM}{dt} $$

где α — коэффициент демпфирования, зависящий от спин-решетки и дефектов. В чистых кристаллах Блоховские стенки движутся быстрее, в то время как Нéелевские стенки более чувствительны к дефектам на поверхности.

Влияние геометрии и размеров

  • Толстые кристаллы: преобладают Блоховские стенки.
  • Тонкие пленки и наноструктуры: Нéелевские стенки становятся энергетически выгодными.
  • Наночастицы: могут существовать комбинированные или кроссоверные типы стенок.

Ключевой момент: структура стенки напрямую влияет на магнитную восприимчивость материала, скорость намагничивания и потери энергии при перемагничивании.

Взаимодействие с дефектами

Дефекты кристаллической решетки, примеси и границы зерен могут фиксировать доменные стенки, вызывая эффект пиннинга. Энергетическая разница между Блоховской и Нéелевской стенками определяет их подвижность и устойчивость:

  • Блоховская стенка менее чувствительна к поверхностным дефектам, но чувствительна к объемным.
  • Нéелевская стенка сильно фиксируется поверхностными неровностями, что критично для тонкопленочных устройств.
Оглавление