Спиновые волны – возбуждения, характерные для магнитоупорядоченных сред – ферромагнетиков, антиферромагнетиков, ферримагнетиков, ферми-жидкости (в магнитном поле), в которых нарушение магнитного порядка не локализуется, а распространяется в виде волны.  Спиновые волны являются элементарным (простейшим) движением магнитных моментов в магнетиках. Спиновые волны, как всякая волна, характеризуется зависимостью частоты ω от волнового вектора k (законом дисперсии). В сложных магнетиках (кристаллах с несколькими магнитными подрешётками) могут существовать несколько типов спиновых волн; их закон дисперсии существенно зависит от магнитной структуры тела.

Спиновые волны допускают наглядную классическую интерпретацию: рассмотрим цепочку из N атомов, расстояния между которыми в магнитном поле Н (рисунок 1). Если волновой вектор k = 0, это означает, что все спины синфазно прецессируют вокруг направления поля Н. Частота этой однородной прецессии равна ларморовой частоте ω₀. При k≠0 спины совершают неоднородную прецессию: прецессии отдельных спинов (1, 2, 3 и так далее) не находятся в одной фазе, сдвиг фаз между соседними атомами равен ka (рисунок 1).

Частота  ω(k) неоднородной прецессии больше частоты однородной прецессии ω₀. Зная силы взаимодействия между спинами, можно рассчитать зависимость ω(k). В ферромагнетиках для длинных спиновых волн (ka << 1) эта зависимость проста:

величина порядка величины обменного интеграла между соседними атомами. Как правило, ω_е >> ω₀. Частота однородной прецессии ω₀ определяется анизотропией кристалла и приложенным к нему магнитным полем Н: ω₀=g(βM+H), где g – магнитомеханическое отношение,  β – константа анизотропии, M – намагниченность при Т=0К. Квантовомеханическое рассмотрение системы взаимодействующих спинов позволяет вычислить законы дисперсии.

Спиновым волнам ставят в соответствие квазичастицу, называемую магноном. При Т = 0 К в магнетиках нет магнонов, с ростом температуры они появляются и число магнонов растет – в ферромагнетиках приблизительно пропорционально Т^3/2, а в антиферромагнетиках T³. Рост числа магнонов приводит к уменьшению магнитного порядка. Так, благодаря возрастанию числа спиновых волн с ростом температуры уменьшается намагниченность ферромагнетика, причём изменение намагниченности (закон Блоха)ΔM(T)~T^3/2.

Спиновые волны проявляют себя в тепловых, высокочастотных и других свойствах магнетиков. При неупругом рассеянии нейтронов магнетиками в последних возбуждаются спиновые волны. Рассеяние нейтронов – один из наиболее результативных методов экспериментального определения законов дисперсии спиновых волн.

Спиновые волны в немагнитных металлах – колебания спиновой плотности электронов проводимости, обусловленные обменным взаимодействием между ними. Существование спиновых волн в немагнитных металлах проявляется в некоторых особенностях электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), в частности в селективной прозрачности металлических пластин для электромагнитных волн с частотами, близкими к частоте ЭПР.

 

 

 

В последние годы, особенно в связи с различными приложениями, интенсивно развиваются исследования магнитоупорядоченных кристаллов — ферромагнетиков, антиферромагнетиков и ферритов. Многие свойства этих кристаллов — в первую очередь высокочастотные, а также термодинамические и кинетические свойства—определяются в области низких температур специфическими волнами, могущими распространяться в этих телах, так называемыми спиновыми волнами, представляющими собой передающиеся от атома к атому колебания атомного магнитного момента.
Феноменологическая теория, базирующаяся на уравнениях электромагнитного поля Максвелла и уравнении движения магнитного момента, позволяет исследовать высокочастотные свойства магнитоупорядоченных кристаллов, в частности однородный и неоднородный ферромагнитный и антиферромагнитный резонансы, поверхностный импеданс, параметрическое возбуждение спиновых волн, когерентное усиление спиновых волн потоками заряженных частиц. Она позволяет также, с привлечением теории упругости, развить теорию связанных магнитоупругих волн, в частности теорию магнитоакустнческого резонанса.
Фундаментальной проблемой в микроскопической теории спиновых волн является проблема их квантования, сводящаяся к представлению операторов спина с помощью бозевских операторов рождения и уничтожения магнонов.  Микроскопическая теория спиновых волн позволяет исследовать термодинамические и кинетические свойства магнитоупорядоченных кристаллов в области низких температур. При исследовании термодинамических свойств магнитоупорядоченный кристалл можно рассматривать как совокупность идеальных газов магнонов, фононов и электронов проводимости.

Исследование спиновых волн с большими волновыми векторами позволяет получать информацию о таких параметрах материала, как константа обменного взаимодействия, и дает возможность проверять напрямую сравнивать результаты теоретических расчетов динамических свойств ультратонких магнитных пленок с экспериментом. Спектроскопия энергетических потерь спин-поляризованных электронов может стать незаменимым методом изучения свойств низкоразмерных магнитных структур.

 

В качестве инструмента для исследований магнитных материалов удобно использовать нейтронные пучки. Как и электроны, нейтроны наделены спином. Если пучок нейтронов направить на магнитный материал, то спины нейтронов будут взаимодействовать со спинами исследуемого материала, так же как два магнетика. После взаимодействия нейтроны отклоняются от прежнего пути, и их исследование позволяет судить о магнитных свойствах изучаемого материала. Более того, так как нейтроны плохо поглощаются большинством веществ, они обычно проникают глубоко в образцы, поэтому с их помощью можно получать информацию о физических свойствах объемного материала.

Неупругое рассеяние нейтронов является наиболее информативным методом, позволяющим определить закон дисперсии спиновых волн и оценить время жизни всех типов магнонов. Использование поляризованных нейтронов, кроме того, даёт возможность получить сведения о поляризации. Исследованы спектры сотен магнетиков, в том числе сложных.

На рисунке 1 изображена спиновая волна в антиферромагнетике MnF₂. Серые сферы – это ионы Mn²⁺, а зеленые сферы – ионы F. Направления спинов (толстые черные стрелки) в вершинах куба и внутри куба противоположны. При спиноволновом возбуждении (намагничивании) спины как бы прецессируют по конусу (они показаны голубым).

MnF₂, хорошо изученное вещество, принадлежит к антиферромагнетикам. В нем каждый ион Mn²⁺ наделен спином, ориентированным в противоположном направлении по сравнению со спином соседнего иона. Легко вырастить большой высокочистый кристалл этого материала с почти идеальной структурой. Физические свойства такой модельной системы в физике твердого тела удобно исследовать.

В объемных материалах закон дисперсии спиновых волн можно исследовать с помощью неупругого рассеяния нейтронов (та же ситуация имеет место для фононов ). Однако статические и динамические свойства ультратонких магнитных пленок во многих случаях существенно отличаются от свойств объемных материалов, а из-за слабости взаимодействия нейтронов со спиновыми волнами нет возможности использовать рассеяние нейтронов для изучения спиновых волн в тонких пленках и на поверхности материалов. Конечно, использование нейтронов - не единственная возможность; для исследования длинноволновых спиновых волн в ультратонких пленках успешно применяются оптические и другие методы, однако до последнего времени не существовало экспериментальной методики, позволявшей изучать спиновые волны с большими волновыми векторами в таких структурах. И вот недавно ученые из института физики микроструктур в Галле и исследовательского центра в Юлихе использовали спектроскопию потерь энергии электронов для исследования спиновых волн с большими волновыми векторами в пленке кобальта нанометровой толщины [1].

Спектроскопия потерь энергии электронов - исследование неупругого рассеяния электронов - широко используется для исследования различных электронных возбуждений в твердом теле; при небольших энергиях электронов, когда дебройлевская длина волны электрона порядка десятка ангстрем, спектроскопия потерь энергии наиболее чувствительна к свойствам поверхности твердого тела. В таких условиях использование спектроскопии энергетических потерь спин-поляризованных электронов (когда контролируется не только энергия, но и спиновые состояния рассеянных электронов) позволяет исследовать магнитные свойства приповерхностных слоев вещества и тонких пленок. Высокая чувствительность экспериментальной установки позволила немецким ученым впервые исследовать закон дисперсии спиновых волн в ультратонкой пленке с помощью этого метода.

Пленка кобальта толщиной 8 моноатомных слоев была нанесена на подложку Cu (001) с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии; затем пленка была намагничена вдоль оси [110]. Поток спин- поляризованных электронов генерировался при освещении катода из GaAs циркулярно-поляризованным светом, потом происходила монохроматизация пучка и поток электронов с энергией менее 10 эВ в определенном спиновом состоянии падал на поверхность кристалла (с нанесенной на нее ультратонкой пленкой). Исследователи регистрировали энергетический спектр отраженных электронов (энергетическое разрешение составляло 40 мэВ) при различных ориентациях спина падающих электронов. При рождении магнона энергия электрона изменяется, и помимо основного пика в спектре появляется дополнительный пик, связанный с неупруго рассеявшимися электронами. Поскольку при возбуждении магнона должна изменяться намагниченность образца, интенсивность сигнала зависит от взаимной ориентации спина падающих электронов и магнитного момента пленки, что и можно наблюдать на рисунке.
Меняя угол падения пучка электронов на пленку, исследователи изменяли передаваемый магнону (за счет изменения компоненты импульса электрона в плоскости пленки) импульс и, регистрируя положение пика в спектре потерь энергии, могли, таким образом, прописывать зависимость энергии магнона от волнового вектора (т.е. определять закон дисперсии спиновых волн) вплоть до границы зоны Бриллюэна (рис.1).