Магнитоупругие волны - волны, возникающие в магнитоупорядоченных кристаллах — ферромагнетиках и антиферромагнетиках — в результате магнитоупругого взаимодействия.
Упругие волны, то есть колебания ионов в кристаллической решётке относительно положений равновесия, в магнитоупорядоченных кристаллах сопровождаются колебаниями спинов, а следовательно, и колебаниями их магнитных моментов; в свою очередь колебания спинов, то есть спиновые волны, вызывают смещение ионов. Таким образом появляется связь между фононной и спиновой, или магнитной, подсистемами. В магнитоупорядоченных волных изменение магнитных параметров состояния (например намагниченности) связано с изменением упругих параметров (деформации, механического напряжения). Возникновение магнитоупругих волн— одно из проявлений магнитоупругого взаимодействия, которое в первом приближении мож¬но описать магнитоупругой энергией единицы объёма вещества:

где b_iklm — тензор магнитоупругих констант, имеющий размерность плотности энергии, u_ik — тензор деформаций, М₀ — модуль вектора намагниченности, M_l/M₀ и М_m/М₀ — направляющие косинусы вектора намагниченности. Здесь рассматриваются только те колебания, в которых модуль вектора М₀ остаётся постоянным. Смешанная магнитоупругая волна, в которой переменными величинами являются как механические, так и магнитные параметры состояния, то есть и u_ik и M_l,m, наиболее, ярко проявляется в области частот, где длина упругой волны оказывается близкой по величине к длине спиновой волны (магнитоакустический резонанс). Дисперсионное соотношение для спиновой волны имеет вид

где γ — магнитомеханическое отношение для электрона, А — обменная постоянная, H_i= H₀— 4πNM₀, H₀ — напряжённость внешнего постоянного магнитного поля, N — размагничивающий фактор, к — волновой вектор, θ — угол между направлениями H₀ и k. Дисперсионные соотношения для продольной и поперечной упругих волн имеют вид ω = c_tk_t, ω = с_lк_l где c_l и c_t — скорости звука для продольной и поперечной упругих волн.
Особенности поведения магнитоупругих волн можно рассмотреть на примере плоских волн, распространяющихся вдоль одного из рёбер решётки кубического кристалла. Если внешнее магнитное поле H₀ ориентировано вдоль направления распространения волн (θ = 0), то при наличии магнитоупругой связи дисперсионные соотношения для продольной и поперечной волн примут вид

Здесь b — магнитоупругая константа, ρ — плотность вещества, М_s — намагниченность насыщения, ω_сп — значение ω, соответствующее решению дисперсионного соотношения . В этом случае про¬дольная часть фононного спектра оказывается не связанной с магнитной подсистемой (кривая 1 на рис.1), а для поперечных волн возможны два решения к₊ и к_-, соответствующих двум знакам.

Пересечение дисперсионных кривых поперечной упругой (кривая 2) и спиновой (кривая 3) волн происходит при значении волнового числа к = к₀, тo есть

При к << к₀ сплошная кривая 3—2 соответствует чисто спиновой волне, а кривая 2—3 — чисто поперечной упругой и обе волны распространяются со своими скоростями почти независимо друг от друга. При к >> к₀ кривая 3—2 соответствует упругой волне, а кривая 2—3 — спиновой и снова волны почти не зависят друг от друга. В области пересечения существуют две связанные магнитоупругие волны. При к≈к₀ происходит расщепление дисперсионных кривых на две ветви с частотами

(масштаб кривых на рис.2 преднамеренно сильно искажён, так как обычно Δω<<ω₀).

При фиксированной частоте ω магнитоупругое взаимодействие обусловливает возможность появления двух волн с волновыми числами к₊ и к_-, которые распространяются с разной скоростью. Это приводит к вращению плоскости поляризации линейно поляризованной сдвиговой волны. Угол φ, на который поворачивается плоскость поляризации в волне, прошедшей расстояние z, равен

где ω_H=|γ|H₀.

 

Магнитоупругие волны могут использоваться для преобразования звуковой волны в спиновую и обратно. В таких материалах, как, например, монокристаллы ферритов-гранатов, на частотах ~10⁹ Гц гораздо легче возбудить и принять спиновую волну, чем звуковую. Если образец феррита поместить в СВЧ-резонатор и возбудить в нём спиновую волну, то при наличии постоянного магнитного поля, неоднородного по пространству, по образцу побежит спиновая волна с переменным волновым числом к. При уменьшении напряжённости поля Н в направлении распространения спиновой волны и при фиксированной частоте ω, задаваемой резонатором, величина к по мере распространения будет увеличиваться. Когда она достигнет значения к≈к₀, спиновая волна вследствие магнитоупругого взаимодействия превратится в магнитоупругую, а при дальнейшем увеличении к —в чисто упругую волну. Дальнейшее уменьшение Н уже не будет влиять на характер распространения упругой волны. При таком преобразовании скорость распространения волн изменяется, поскольку скорость упругой волны гораздо больше, чем скорость спиновой волны. Если, начиная с какой либо точки пространства, величина Н возрастает и, следовательно, волновое число для спиновых воля уменьшается, то может произойти обратное преобразование звуковой волны в спиновую. Таким образом, создавая в образце неоднородное магнитное поле, можно преобразовывать друг в друга упругие и спиновые волны и тем самым изменять скорость распространения и время прохождения сигнала по образцу.
Взаимодействие спиновых и упругих волн осуществляется на высоких УЗ- и гиперзвуковых частотах, поскольку область существования спиновых волн ограничена снизу частотами ~10⁸ Гц. Верхняя граница для магнитоупругих волн также определяется возможностью получения спиновых волн и составляет ~5*10¹⁰ Гц.
Монокристаллы ИФГ, выращенные из расплава, обладают очень низкими акустическими потерями (на порядок меньшими, чем в монокристаллах кварца или любого другого вещества в диапазоне 10— 1000 МГц), а также малыми ферромагнитными потерями. На монокристаллах ИФГ изготовляют линии задержки для сверхвысоких частот, в которых стержень из ИФГ используется одновременно как преобразователь и как задерживающая среда. При этом время задержки можно изменять. Например, линия задержки на ИФГ работает в диапазоне частот 0,5—1,0 ГГц, время задержки изменяется от 1 до 10 мкс, потери составляют 37 дБ. Используя усиление магнитоупругих волн вследствие нелинейности магнитоупругого взаимодействия, можно добиться значительного снижения потерь.
Управляя посредством неоднородного магнитного поля скоростью распространения сигнала (за счёт преобразования волн), можно создавать линии с переменным временем задержки, а используя усиление магнитоупругих волн, возникающее из-за нелинейности магнитоупругого взаимодействия, можно добиться значит, снижения потерь при распространении сигнала.
В основном магнитоупругие волны используются в управляемых магнитным полем линиях задержки и фильтрах различных назначений, в корреляторах и устройствах свёртки сигналов, а также в других элементах систем аналоговой обработки сигналов на СВЧ.
 

Основные методические трудности связаны с необходимостью создания в исследуемом образце однородного состояния при изменении в достаточно широких пределах растягивающего или сжимающего механического напряжения, а также постоянного или переменного магнитного поля. Наиболее точные измерения магнитоупругого эффекта в постоянных магнитных полях могут проводиться, по-видимому, на стержневых образцах круглого или квадратного сечения, шлифованных по всем поверхностям. На боковую поверхность наклеиваются или напыляются тензопреобразователи с целью контроля однородности напряженного состояния. Образец с измерительной обмоткой устанавливается в специальный пермеаметр с ярмом, состоящим из двух одинаковых частей, которые могут свободно перемещаться относительно друг друга. Ярмо одновременно выполняет функции реверса разрывной машины. Если измерения проводятся в режиме растяжения, то торцы образца приклеиваются к полюсным наконечникам пермеаметра эпоксидной смолой. Выбор материала пермеаметра и высокая точность обработки деталей, а также симметричная конструкция пермеаметра обеспечивают снижение полей рассеяния и высокую точность измерений. Измерения магнитоупругих свойств ферритов в переменных магнитных полях в большинстве случаев целесообразно проводить на замкнутых образцах — либо тороидяльных, либо рамочного типа. В первом случае механические напряжения можно создавать путем армирования, например с помощью полых резиновых трубок, плотно прилегающих к внешней или внутренней цилиндрической поверхности кольца. Сжатый газ или жидкость нагнетается компрессором в трубу, в результате возникает нормальное давление по образующей, а также значительно превосходящее его тангенциальное растягивающее или сжимающее напряжение. Для создания напряжений сжатия в хорошо шлифованных образцах рамочного типа можно применить гидравлический или рычажный пресс с полусферическим шарнирным устройством, устраняющим перекосы при установке образца. С помощью пресса может быть реализована как параллельная, так и перпендикулярная ориентация оси сжатия относительно направления магнитного поля в образце.
Следует отметить, что использование описанных способов для образцов с замкнутой магнитной цепью приводит к заметной методической погрешности. Эта погрешность обусловлена либо невозможностью создания однородного и одноосного напряженного состояния в тороидальных образцах, либо влиянием давления на магнитное состояние замыкающей магнитную цепь накладки в образцах рамочного типа. Однако указанные погрешности можно снизить до 10—20% правильным выбором соотношения размеров образца. Для исследования свойств ферритов при всестороннем сжатии применяются гидробаки и камеры высокого давления.