Статья: О возможности индуцирования длиннопериодической структуры в антиферромагнетиках с магнитоэлектрическим эффектом

Известно, что в некоторых магнитоупорядоченных кристаллах образуется длиннопериодическая магнитная структура, называемая сверхструктурой. В простейшем случае сверхструктуры вектор плотности магнитного момента поворачивается вокруг избранной оси так, что конец вектора вычерчивает в пространстве геликоид. Теория геликоидальных структур (ГС) в антиферромагнетиках (АФМ) построена И.Е.Дзялошинским [1]. Показано, что их существование может быть связано с наличием в свободной энергии линейных по пространственным производным слагаемых. Так, например, сверхструктура одноосных АФМ обусловлена инвариантом лифшицевского вида l(ly×дlx/дz-lx×дly/дz). Здесь l - вектор антиферромагнетизма, ось z направлена вдоль оси анизотропии. Такой инвариант допускает кристаллографический класс Cn, и ГС является «врожденным» свойством этих АФМ. При наличии внешних магнитного H и электрического E полей появление таких слагаемых в свободной энергии с l=l0Ez или l=l0Hz возможно и в АФМ иной симметрии, т.е. ГС можно индуцировать полями H и E [2, 3].

Магнитная симметрия АФМ с магнитоэлектрическим эффектом допускает линейный неоднородный обменный инвариант Dmдl/дz [4], где m - вектор ферромагнетизма. Статические свойства таких АФМ и линейные возбуждения в них без учета вышеуказанного инварианта изучены достаточно подробно (см. напр. [5-7]). Нами показано сильное влияние этого инварианта на формирование доменной структуры центроантисимметричных АФМ в магнитном поле [8]. В настоящем сообщении обсуждается возможность индуцирования длиннопериодической структуры в АФМ с магнитоэлектрическим эффектом.

Рассмотрим двухподрешеточный ромбоэдрический центроантисимметричный АФМ со структурой . Исходим из плотности свободной энергии

F=Fm+Fmp+Fp,

включающей магнитную, магнитоэлектрическую энергии и энергию электрической поляризации. В приближении ml=0, m2+l2=1 каждое из слагаемых энергии имеет следующий вид [4, 7]:

, .

Здесь - константа однородного обмена, c - поперечная антиферромагнитная восприимчивость, , D~Ba0 - константы квадратичного и линейного неоднородного обмена, a0 - постоянная кристаллической решетки; a>0, a1<0 - константы магнитной анизотропии, – тензор магнитоэлектрического взаимодействия, , кz – компоненты тензора электрической поляризуемости, p – вектор электрической поляризации.

Свободную энергию в полях H<<HE=B/4M0 после минимизации по p и m можно представить в виде

,

(1)

Нp=[(g1ly+g3lz)Ex+g1lxEy, g1lxEx+(g3lz-g1ly)Ey, g2(Exlx+Eyly)-g0Ezlz].

Здесь для краткости принято

Пусть H || z, E || x, l=(sinqcosj, sinqj, cosq). Рассмотрим случай одномерной неоднородности вдоль оси z. Тогда плотность энергии (1) примет вид:

+(DcE/2M0[(2g1sinqcosqsinj+g3cos2q- -g2sin2q)cosj(dq/dz)+ +(g1sinqcos2j-g3cosqsinj)sinq(dj/dz)]+ +cHE[g1sinqcosqcos2j+(g2+g3)cos2qcosj+ +g2cosj]sinq,

(2)

где A*=A(1-m2), m2=D2/AB, a*=a-cH2.

Для простоты рассмотрим случай A*>0 и a1=-a*, соответствующий полю спин-флоп перехода. В отсутствие полей H и E решение уравнения Эйлера для угла j дает значение j=const. Сделав замену q=p/4-n/2, получим:

(3)

Уравнение Эйлера для функционала (3) имеет первый интеграл

A*(dv/dz)2+|a1|sin2v=|a1|/k2.

(4)

Решение уравнения (4) имеет вид:

cos2q=sn(kz/d, k),

(5)

где sn(u, k) - эллиптическая функция Якоби, - характерный размер магнитной неоднородности. Выражение (5) описывает геликоид вектора l , иначе - модуляцию чисто антиферромагнитного состояния q=0, p или q=p/2, 3p/2 (спины вдоль 3z или 2х-осей), поэтому называется еще модулированной магнитной структурой (ММС).

Из (2) с учетом (4), (5) получим прирост энергии, обусловленный ММС:

	(6)
	(7)

где K(k) и E(k) – полный эллиптический интеграл I и II рода соответственно; a=cg – магнитоэлектрическая восприимчивость. Из (6) и (7) видно, что плоскость геликоида фиксируется линейным неоднородным обменом. Положим для определенности k0>0. Тогда минимуму (6) соответствует значение j=0 .

Модуль эллиптического интеграла k, а вместе с ним и период структуры L=4Kkd можно определить из условия минимума энергии (6) по k. Рассмотрим два случая, соответствующие предельным значениям k®0 и k®1.

Используя разложения E(k) и K(k) при малых k, имеем:

Условие dF/dk=0 удовлетворяется значением . Прирост энергии равен

(8)

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--