Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Борат железа – тригональный легкоплоскостной антиферромагнетик со слабым ферромагнетизмом. Этот монокристалл из-за уникального сочетания магнитных, упругих, оптических и резонансных свойств является модельным объектом многочисленных фундаментальных исследований в области физики твердого тела и магнетизма. В частности, из-за особенностей кристалломагнитной структуры этот материал обладает аномально большой величиной магнитоупругой связи, что приводит к существованию чрезвычайно интересных эффектов. Для исследования магнитоупругих эффектов мы синтезировали монокристаллы бората железа используя ранее разработанную нами технологию. Для синтеза экспериментальных образцов выбран метод раствор-расплавной кристаллизации, так как он обеспечивает получение монокристаллов бората железа высокого структурного совершенства в виде гексагональных пластин обычно толщиной ~ 100 мкм и 5-6 мм в поперечнике. Как уже отмечалось, борат железа характеризуется аномально большой величиной магнитоупругой связи, приводящей к весьма существенному взаимному влиянию магнитной и упругой подсистем. Причина этого заключается, в первую очередь, в слабости магнитной кристаллографической анизотропии в базисной плоскости (0001), в которой приблизительно лежат ферромагнитный и антиферромагнитный векторы кристалла. В этом случае даже сравнительно слабые динамические деформации, вызываемые акустической волной, приводят к заметным осцилляциям магнитных векторов в базисной плоскости, практически не удерживаемых чрезвычайно слабой анизотропией. В свою очередь, магнитные осцилляции также вносят заметный вклад в трансформацию акустических волн. Отметим, что аномально большая величина магнитоупругой связи в борате железа сосуществует с обычными значениями магнитоупругих констант. В настоящем проекте изучены магнитоакустические эффекты, возникающие при распространении в борате железа поперечных акустических волн с вихревой структурой и продольных плоских акустических волн. Исследовано, также, влияние магнитоупругого взаимодействия на АФМР в синтезированной нами пленке бората железа на изоструктурной диамагнитной подложке. В настоящем проекте теоретически исследована квазиравновесная магнитная динамика в тригональном слабом ферромагнетике, индуцированная поперечно поляризованной акустической волной с вихревой структурой. Рассмотрено распространение акустического вихря вдоль оси С3 кристалла, ортогональной базисной плоскости. Волновые уравнения, описывающие процесс, построены на основе термодинамического потенциала, включающего магнитные, упругие и магнитоупругие инварианты. Решение уравнений позволило определить две моды вихревой волны – магнитную и немагнитную. Первая из них индуцирует колебания намагниченности. Поскольку частота акустических колебаний намного меньше частоты АФМР для бората железа, магнитные колебания следуют за акустическими квазиравновесно, наследуя вихревую структуру звука. В этом случае выражение азимутального угла отклонения магнитного вектора от статического равновесного положения в зависимости от магнитной моды акустической волны получено из условия минимума термодинамического потенциала по этому углу. В рамках настоящего проекта исследовались магнитоакустические эффекты, связанные с распространением продольной акустической волны в борате железа при ее возбуждении пьезопреобразователем продольного звука, укрепленным на базисной грани кристалла. Волна распространялась вдоль тригональной оси кристалла. Обнаружена трансформация продольной акустической волны под действием индуцированных ею магнитных колебаний. Регистрация прошедшего кристалл трансформированного звука осуществлялась пьезопреобразователем, укрепленным на противоположной базисной грани. Обнаружена осциллирующая зависимость от магнитного поля амплитуды трансформированной волны на выходе из кристалла. При этом амплитуда осцилляций продольного звука сравнительно невелика, она составляет всего несколько процентов от амплитуды на входе в кристалл. Отметим, что в случае звука поперечного эти осцилляции гораздо значительнее. Рабочие частоты были близки к частотам размерного акустического резонанса, что гораздо меньше частоты АФМР. Поэтому и в этом случае магнитная подсистема вела себя квазиравновесно. Построена теория эффекта для случая однократного прохождения (без переотражений от поверхностей) акустической волны в кристалле. Получено выражение для амплитуды трансформированного звука в этом случае. Описать связь продольно поляризованной акустической волны с магнитной подсистемой удается при использовании новых магнитоупругих инвариантов, представляющих собой произведение магнитных инвариантов, определяющих энергию базисной анизотропии тригонального легкоплоскостного антиферромагнетика, на компоненту тензора деформаций uzz. В последние годы интерес к борату железа возрос из-за возможностей, с одной стороны, использования новых экспериментальных методик, а с другой стороны, его практического применения. В этом отношении интерес представляют монокристаллические структуры на основе бората железа. Совсем недавно мы разработали технологию и синтезировали магнитную пленку бората железа на изоструктурной диамагнитной подложке, представляющей собой базисную пластину монокристалла бората галлия. Подложки были синтезированы с методом раствор-расплавной кристаллизации. Пленки бората железа представляют интерес во многих отношениях, в том числе, и с точки зрения изучаемых в настоящем проекте магнитоупругих эффектов. С учетом магнитоупругого взаимодействия и деформаций в пленке предложена интерпретация наблюдаемого существенного различия величин изотропной энергетической щели низкочастотной ветви АФМР пленки и монокристалла бората железа. В рамках нашей модели это несоответствие можно объяснить зависимостью от деформаций, обусловленных рассогласованием параметров кристаллических решеток пленки и подложки, магнитоупругих констант, определяющих величину щели.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Монокристаллы бората железа, FeBО3, из-за уникального сочетания магнитных, упругих, оптических и резонансных свойств являются модельными объектами многочисленных фундаментальных исследований в области физики твердого тела и магнетизма. Диапазон исследований может быть существенно расширен при использовании монокристаллов Fe1 xGaxBO3, в которых часть парамагнитных ионов железа изоморфно замещена диамагнитными ионами галлия. В частности, серия таких кристаллов с различной степенью диамагнитного разбавления х позволяет экспериментально исследовать отдельные механизмы, формирующие то или иное свойство, поскольку эти механизмы могут иметь различную концентрационную зависимость. В последние годы наметилась явная тенденция применения монокристаллов на основе бората железа в качестве активных элементов высокотехнологичных устройств. Установлено, в частности, что такие кристаллы, обогащенные изотопом Fe57, могут использоваться в качестве идеальных монохроматоров на финишном этапе монохроматизации синхротронного излучения. При этом эффективность монохроматора повышается при приближении рабочей температуры к температуре Нееля кристалла. В таком случае ценность диамагнитно-разбавленных кристаллов повышается, поскольку их температура Нееля в зависимости от степени разбавления может быть понижена до комнатной. Все это послужило мотивацией для синтеза по разработанной нами методике диамагнитно-разбавленных монокристаллов бората железа Fe1 xGaxBO3 и их исследований. Синтезирована серия высокосовершенных монокристаллов Fe1-xGaxBO3 высокого структурного совершенства. Выполнены исследования процессов намагничивания диамагнитно-разбавленных монокристаллов бората железа с низкой степенью разбавления, такой что температура Нееля остается выше комнатной. Для этих целей на базе поляризационного микроскопа разработан и сконструирован магнитооптический магнитометр. Определена концентрационная зависимость постоянной фарадеевского вращения. Теоретически проанализирована кластерная магнитная структура диамагнитно-разбавленных монокристаллов бората железа с высокой степенью разбавления. Ранее наши исследования кристаллов Fе1-xGaxBO3 в более широком диапазоне концентраций и при различных температурах показали изменение магнитного состояния – от магнитоупорядоченного через кластерное к парамагнитному – при изменении концентрации ионов железа и температуры. При высокой степени разбавления исследования температурной зависимости намагниченности методом СКВИД-магнитометрии позволили подтвердить наше предположение о существовании в таких материалах магнитных кластеров. Выполнены первые исследования магнитоупругих свойств кристаллов Fe1-xGaxBO3. Показано, что механическое осцилляционное воздействие на такие образцы ведет к синфазным колебаниям намагниченности. Теоретически исследованы возможные магнитные состояния бората железа под действием высокого квазигидростатического давления, представляющего собой суперпозицию гидростатического давления и аксиального, приложенного в базисной плоскости образца. Показано, что в зависимости от соотношения упругих и магнитоупругих констант, а также симметрии внешнего давления могут реализовываться легкоосная, легкоплоская или «угловая» фазы. Построенная теория хорошо согласуется с нейтронными экспериментами, продемонстрировавшими в условиях высокого квазигидростатического давления выход антиферромагнитного вектора из базисной плоскости кристалла. Развита теория, позволяющая описать магнитоупругие эффекты при распространении продольного звука вдоль тригональной оси кристалла с учетом многократных прохождений и переотражений акустической волны от границы кристалл-пьезопреобразователь. Существенным элементом теории являлось использование новых магнитоупругих инвариантов, представляющих собой произведения магнитных инвариантов, описывающих магнитную базисную анизотропию, и компоненты uzz тензора деформаций. Полученное выражение для амплитуды продольного звука на выходе из кристалла дает возможность адекватно интерпретировать наблюдаемую в эксперименте осцилляционную зависимость амплитуды от магнитного поля. Из-за особенностей кристалломагнитной структуры магнитоупругое взаимодействие в борате железа проявляется весьма существенно. В некоторых случаях для интерпретации эффектов, обусловленных магнитоупругим взаимодействием, использование в выражении для магнитоупругой энергии обычных магнитоупругих инвариантов, линейных по компонентам тензора деформаций и квадратичным по компонентам вектора антиферромагнетизма, оказывается недостаточным. Эта проблема возникает, в частности, при интерпретации упомянутых эффектов, связанных с распространением продольного звука, а также при поиске причин увеличения изотропной энергетической щели в спектре АФМР для магнитной пленки бората железа. Для решения указанных и подобных им задач построен полный набор магнитоупругих симметрийных инвариантов высших порядков по компонентам тензора деформаций и вектора антиферромагнетизма.