Romboedrik kuchsiz ferromagnetiklarning magnitli bir jinsli emasligini ifodalovchi mexanizmlar

2.4 Romboedrik kuchsiz ferromagnetiklarning magnitli bir jinsli emasligini ifodalovchi mexanizmlar.
Ferromagnetik moddalarni elektrotexnika, radiotexnika va elektronikadagi ahamiyati qanchalik katta ekanligi barchaga ma’lum. Shaffof ferromagnit moddalarni kashf etilishi juda katta amaliy imkoniyatlarni paydo qildi. Bunday moddalardan foydalanib, yorug’likni boshqarish mumkin, lazer nurlanishini modulyatsiyalash, optik ventillar va boshqa ko’pgina katta amaliy ahamiyatga ega bo’lgan qurilmalar tayyorlash mumkin. Bunday qurilmalar hozirgi kunda juda ko’plab asbob uskunalarda va priborlarda qo’llanilmoqda.
Shaffof ferromagnetiklarni imkoniyatlaridan yanada kengroq foydalanish va yangi xususiyatlarini aniqlash maqsadida bunday moddalarni ham nazariy, ham amaliy chuqur va keng tadqiq etish talab etiladi. Buning uchun toza monokristall shaffof ferromagnetiklarning fizikaviy tadqiqotlar uchun muhim hisoblanadi, chunki ularni optik spektrlarini o’rganish va ulardagi nodir yer va o’tuvchan metallar kristall panjaralaridagi ionlarning energetik sathlarini aniqlash, kristallarni ichki elektr matdonini, spin-orbital va almashinuv o’zaro ta’sir va boshqa kattaliklarni o’rganish mumkin [1-4,18,21].
Mazkur moddalarni optik xossalarini o’rganishda ulardagi yorug’likni yutilish mexanizmini keltirish kerak. 2.4.1-rasmda ferit-granatlar va ortoferritlarda yutilish energiya mexanizmi va sohalari keltirilgan.
Ushbu rasmda ferrit-granat va ortoferritlar uchun juda muhim mexanizmlar sxemasi 104 dan 1 mm gacha bo’lgan to’lqin uzunliklarning energiyalar sohalarida keltirilgan. Uzun to’lqin uzunliklar sohasida yutilish mexanizmi yaqin sathlar orasidagi atomli o’tishlar bilan shartlangan. Mazkur o’tishlar asosiy sathlarni elektr va magnit maydonlari ta’sirida, xususan magnitli panjara ostilari orasidagi almashinuv o’zaro ta’sirida yuzaga keluvchi bo’linish natijasida sodir bo’ladi. Uzoq infraqizil sohada yutilish asosan fonon spektrining optik tarmog’i chastotalarida panjara tebranishlari bilan aniqlanadi.
2.4.1-rasm. Ferrit-granat va ortoferritlarda energiyaning yutilish mexanizmi.
Spektrning yaqin infraqizil sohasida va ko’rish qismida molekulyar sathlar orasida atomli o’tishlar rol o’ynay boshlaydi. Ushbu spektr diapozonida shaffoflik intervali yoki “derazasi” kuzatilishi mumkin, ularning holati atomlar va molekulalar taqsimotiga bog’liq bo’ladi. Oxiri oqibat, spektrning ko’rish va ultrabinafsha qismlarida turli qo’shni ionlar sathlari orasidagi elektronlarning o’tishi natijasida vujudga keladigan kuchli yutilish sodir bo’ladi. Masalan, metal va kislorod ionlari.
2.4.2-rasmda ittriyli ferrit-granat Y3Fe5O12 va kuchsiz ferromagnetik ortoferrit YFeO3 lar yutilish koeffitsientlarining chastotaga bog’lanishi keltirilgan. Ferrit-granatlar infraqizil diapazonda shaffoflik oralig’iga ega bo’ladi, biroq spektrning ko’rish qismida atomli o’tishlardan katta sonli yutilish oralig’i bo’lganligi sababli ushbu shaffoflik juda kuchli pasayadi. Ortoferrit YFeO3 da shaffoflik oralig’i spektrning infraqizil sohasida ham va ko’rish sohasida ham kuzatiladi.
2.4.2-rasm. Ferriit-granatlarda (punktir) va ortoferritlarda (uzluksiz chiziq) yutilish koeffitsientining to’lqin uzunligiga bog’lanishi.
Ferrit-granat strukturasida kislorod ionlari kubik hajmiy markazlashgan zich joylashuvni hosil qiladi. Fe3+ kationlari ular orasida oktaedrik a o’rinlar deb ataladigan joylarda joylashgan bo’ladi (2.4.3-rasm), oltita eng yaqin kislorod ionlari
2.4.3-rasm. Oktaedrik (a), dodekaedrik (b) va (c) ferrit-granat kristall panjaralaridagi joylar.
bilan o’ralgan va tetraedrik yoki d joyda uning to’rtta ionlari bilan o’ralgan. R ionlar dodekaedrik c joylarda joylashgan bo’ladi va sakkizta eng yaqin kislorod ionlari bilan o’ralgan bo’ladi. 2.4.4-rasmdan ko’rinadiki, ortoferritlarda Fe3+ ionlar faqat oktaedrik o’rinlarni egallaydi. Yetarlicha yuqori haroratlarda, nisbatan kuchsiz temir panjara osti almashinuv molekulyar maydoni ta’sir etadigan R ionlarning magnit momentlari tartibsiz joylashgan bo’ladi va kuchsiz magnit maydonlarida natijaviy magnit momentiga hissa qo’shmaydi.
Panjara osti magnit momentlari teng va qarama-qarshi yo’nalgan antiferromagnitli strukturalardan farqli, tarkibiga ortoferritlar kiradigan kuchsiz ferromagnetiklarda panjara ostining natijaviy magnit momenti kichik bo’lsa ham nolga teng emas. Bu xulosa birinchi bo’lib kuchsiz ferromagnetizm hodisasini, xususan ortoferritlarda tushuntirilgan A.S.Borovik-Romanov va M.P.Orlova ishlaridan va I.Ye.Dzyaloshinskiy nazariyasidan kelib chiqadi.
Ferrit-garanatlar va ortoferritlar kristall panjara ionlari elektronlariga xususiy ionlar elektronlari va yadro maydonidan tashqari almashinuv o’zaro ta’sirning effektiv maydoni ta’sir qiladi. Shuning uchun kristallning energiya sathlar sistemasi alohida ionlar sathlar sistemasidan katta farq qiladi. Molekulyar komplekslar energetik sathlarini baholash uchun ko’pincha alohida temir ionlari yoki nodir yer ionlari ma’lum kislorod ionlari o’rovidagi sathlar sistemasi va ushbu sathlarni kristall va almashinuv maydonlarida bo’linishi qaralgan.
2.4.4-rasm. Ortoferritning elementar yacheyka sxemasi. Katta sferalar-kislorod ionlari, kichik yorug’ sferalar-temir ionlari, kichik qora sferalar-R ionlari. Strelkalar bilan ionlarning “siljitilmagan yacheykadagi” holatdan siljish yo’nalishlari ko’rsatilgan.
2.4.5-rasm. Oktaedrik qo’rshovdagi Fe3+ ionining energetik sathlar diagrammasi. Strelkalar bilan bo’lishi mumkin bo’lgan o’tishlar ko’rsatilgan. Beshta eng pastki sathlar bog’laydigan orbitallarni ifodalaydi, yuqoridagi indeks n bog’lamaydigan orbitallarni ifodalaydi; * -sathlar antibog’lovchi (bog’lashga qarshi) orbitallarni ifodalaydi.
Ferrit-granatlar va ortoferritlar spektrlarini eksperimental o’rganish asosida xulosa qilish mumkinki, yutilishda asosiy vazifani Fe3+6012~ va Fe3+402~ kompleks sathlari o’ynar ekan. 2.4.5-rasmda oktaedrik qo’rshovdagi Fe3+ ion uchun taqribiy hisoblangan energetik sathlar diagrammasi keltirilgan. 2.4.6-rasmda esa ferrit-granat va ortoferrit kristallaridagi Fe3+ ionining energetik sathlar diagrammasi keltirilgan [17].
2.4.6-rasm. Ferrit-granat va ortoferrit kristallaridagi Fe3+ ionining energiya sathlari diagrammasi. a) Tetraedrik qo’rshov uchun hisoblangan. b) Eksperimental berilganlar bo’yicha ferrit-granat uchun aniqlangan. c) Oktaedrik qo’rshov uchun hisoblangan. d) Eksperimental ma’lumotlar asosida ortoferrit uchun aniqlanganlar.
Oktaedr va tetraedrik holatlarda Fe3+ ionining ishtiroki spektrning yaqin infraqizil va ko’rish qismlaridagi (X<1 mkm) ko’pgina yutilish chiziqlarining paydo bo’lishiga olib keladi. Ushbu chiziqlar yetarlicha katta kenglikka ega bo’lib, va spektrning ko’rish qismida shaffoflikni so’ndiradi. Ortoferritlarda ionning faqat bitta oktaedrik holati, so’nish chiziqlari ancha kichik va qizil sariq yorug’lik sohasida yetarlicha keng shaffoflik yo’lagi mavjud bo’ladi. Shunday qilib, ortoferritning shaffofligi uning magnitli ionlarining joylashishi bilan to’g’ridan-to’g’ri bog’langan.
Magnitlanuvchanlik yo’nalishi bo’ylab yorug’lik o’tganida qutblanish tekisligini aylanishini, ya’ni burilishini (Faradey effektini) tadqiq etish va kuchli yutilish sohalarida Kerr effektini o’rganish magnitli va dielektrik singdiruvchanlik tenzorlari komponentalarini hisoblash va yutilish chiziqlari va yo’laklari holatini aniqlash imkonini beradi. Qayd etamizki, nodir yer ferrit – granatlar spektrida ittriylilardan farqli nodir yer ionining F sathlari orasidagi o’tishlarga mos keluvchi ingichka chiziqlar paydo bo’ladi. Ushbu chiziqlar temir panjara ostilarining almashinuv maydoni ta’sirida bo’linadi va shuning uchun ularning intensivligi qutblanishdan kuchli bog’lanishda bo’ladi.
Ortoferritlarning shaffofligi uzoq vaqtlardan beri, ya’ni yarim asrdan ko’p vaqtdan beri aniq bo’lsa ham, ularda kuzatiladigan Faradey effekti oxirigacha o’rganilmagan. Ushbu sohada o’tkazilgan ilk tadqiqotlarda, yorug’lik c o’qi bilan mos keluvchi natijaviy magnit momenti bo’lab yo’naltirildi. (2.1.4-rasmdagi gorizintal o’q). Mazkur ilk tadqiqotlar Moskva davlat universitetining magnetizm kafedrasida olib borildi. Ushbu holda Faradey burchaklari kichik ekan. Gap shundaki, ferrit-granatlardan farqli ortoferritlar tabiiy ikkilangan nur sindiruvchi kristallardir va c o’q bilan mos kelmaydigan optik o’qqa ega bo’ladi. Yorug’lik optik o’q bilan mos kelmaydigan yo’nalishi bo’ylab tarqalishida aylanish burchagi ikkilangan nur sinish An ga teskari proporsional va kichik, agar An katta bo’lsa, bu xuddi ortoferritlarda o’rinli bo’lganidek bo’ladi. Keyingi ishlarda yorug’lik nuri c o’qi bo’ylab emas, balki ortoferritning c o’qi bilan 47o ga teng bo’lgan D burchak tashkil etuvchi optik o’q bo’ylab yo’naltirildi. 2.4.7-rasmdan ko’ringandek, ushbu holda Faradey burchagi spektrning ko’rish qismida 3000÷4000 grad/sm ga yetadi, ya’ni ferrit-granatlarga nisbatan ularning magnit momentlari ortoferritlarning magnit momentlaridan ikki daraja katta bo’lishiga qaramasdan bir necha martta katta ekan.
Qayd etamizki, optik o’q bilan kuchsiz ferromagnetizm o’qi ortoferitlarda c o’qi orasida burchak qancha kichik bo’lsa, aylanish burchagi shuncha katta bo’lishi kerak. Ortoferritlarda a burchak D burchakka teng bo’lib, 47o ni tashkil etadi, bu esa boshqa kuchsiz ferromagnetik PeBO3 (90o) ga nisbatan qariyib ikki martta kichikdir.
Ortoferritlarda Faradey burchagining katta qiymatga tengligi juda kontrast domenli tuzilmalarni olish imkonini beradi. Masalan, TmFeO3 optik o’qqa perpendikulyar qirqilgan plastinka ortoferritlarda qat’iy davriy yo’lakli domenli struktura kuzatiladi (2.4.8-rasm). Ortoferritlarda bir o’qli anizotropiya juda katta va magnitli oqim plastinka sirtiga chiqadi. TmFeO3 dagi domenlarning ko’ndalang o’lchami 90 K haroratda 60 mkm ni tashkil etadi. Magnit maydoni c o’qiga perpendikulyar yo’nalgan bo’lsa strayp struktura (yo’lakli domenlar strukturasi) davri kamayadi va diffraksiya maksimumlari o’rnini o’zgartiradi.
Ortoferritlarda xuddi boshqa ferromagnetiklardagidek termomagnit yozuvni amalga oshirish mumkin. Bunda lazer nuri yordamida ortoferrit qismi Kyuri haroratidan yuqorida qizdiriladi, uning diametri ~20 mkm sohani qayta magnitlash va optik tasvirni yozish mumkin. C o’qi bo’ylab yo’nalgan magnit maydoni maydon bo’ylab magnitlangan domenlar o’lchamini oshiradi, va qarama-qarshi yo’nalishda magnitlanganlarni kamaytiradi. O’z navbatida o’zgaruvchan magnit maydoni yordamida yorug’likni modulyatsiyalash mumkin bo’ladi.
2.4.7-rasm. Faradey burilish burchagining disproziyli (yuqoridagi egri chiziq) va ittriyli (pastki egri chiziq) ortoferritlardan o’tayotgan yorug’likning to’lqin uzunligiga bog’lanishi. O’ng tomon yuqorida – optik o’q va c o’q orasidagi D burchakning to’lqin uzunligiga bog’lanishi.
2.4.8-rasm. Optik o’qqa perpendikulyar qirqilgan TmFe03 ortoferrit plastinkasida kuzatiladigan yo’lakli domenli struktura.
Bunday magnitooptik modulyatorning modulyatsiya koeffitsienti chastotaga bog’liq emas, bu esa ularni elektrooptik qurilmalarga nisbatan samarali farq qildiradi, chunki ularda pezorezonans sohada chastotali xarakteristikalar juda notekisdir. Barcha ferromagnetiklar uchun rekord hisoblangan ishchi chastotaning yuqori chegarasi (100 MHz) ortoferritlar domenli chegaralarning (siljuvchanligi) harakatlanuvchanligi bilan aniqlanadi.
Shuning uchun ham barcha diffraksiya magnitooptik modulyatorlaridan samaralirog’i ortoferritlar asosidagi modulyatorlardir. Ortoferritlar asosidagi magnitooptik qurilmalar hozirgi kunda keng qo’llanilmoqda. Magnitooptik qurilmalarning samaradorligini oshirish, yangi magnit materiallarni oldindan berilgan xarakteristikalar asosida tayyorlash texnologiyasini yaratish uchun shaffof ferromagnetiklarni eksperimental va nazariy tadqiq etish zarurdir [9].
Shaffof magnit materiallarning fan va taxnikadagi ahamiyatini e’tiborga olsak, mazkur yo’nalish fizikaning dolzarb yonalishlaridan ekanligi yaqqol namoyon bo’ladi [26-35].
1>
|