Ферримагнитный резонанс

Впервые наблюдался У. Хьюиттом в ферритах в 1949 г.^[2]. К ферримагнетикам относятся ферриты^[3] — оксиды непереходных, переходных и редкоземельных элементов, обладающие слабой электропроводностью и небольшим уровнем потерь на вихревые токи. К ферримагнетикам относят также разбавленные магнитные полупроводники, содержащие две магнитные подсистемы с отрицательным взаимным обменным взаимодействием (подсистема спин-поляризованных носителей тока и подсистема магнитных ионов)^[4]. Подрешётки в ферримагнетиках не идентичны, их статические намагниченности могут по-разному зависеть от состава ферримагнетика и температуры^[5]. Наличие как минимум двух связанных магнитных подрешёток приводит к увеличению числа ветвей магнитных колебаний. Ячейка ферримагнетика (железо-иттриевого граната (ЖИГ), ${\displaystyle {\ce {Y3Fe5O12}}}$, показана на рисунке 1. Здесь коричневые и синие шарики обозначают ионы ${\displaystyle {\ce {Fe^{3+}}}}$, зелёные — ионы ${\displaystyle {\ce {Y^{3+}}}}$, красные — ионы ${\displaystyle {\ce {O^{2-}}}}$, многогранниками показано октаэдрическое и тетраэдрическое кислородное окружение ионов железа). Согласно подрешёточной гипотезе Л. Нееля (1948 г.), элементарные магнитные моменты ионов, находящихся в эквивалентных узлах магнитной решётки ферримагнетика, объединяют в магнитные подрешётки, при этом набор намагниченностей представим в виде ${\displaystyle {\boldsymbol {M}}_{j}}$, где ${\displaystyle j=(1,2,\,\ldots \,N)}$. В случае ЖИГ ${\displaystyle N=20}$, а ионы ${\displaystyle {\ce {Fe^{3+}}}}$, расположенные в октаэдрическом и тетраэдрическом окружении образуют две ферромагнитные подрешётки, направленные противоположно друг другу, что делает ЖИГ ферримагнетиком. Лёгкими осями этих подрешёток являются четыре большие диагонали кубической ячейки, соответствующие кристаллографическому направлению ${\displaystyle \langle 111\rangle }$.

Поскольку в ферримагнетиках присутствует несколько магнитных подрешёток, ферримагнитный резонанс имеет несколько ветвей, причём каждая ветвь соответствует возбуждению резонансных колебаний векторов магнитной намагниченности определённого типа как относительно друг друга, так и по отношению ко внешнему магнитному полю. Ветви делятся на низкочастотные и высокочастотные. Низкочастотная ветвь ферримагнитного резонанса определяется прецессией вектора спонтанной намагниченности внутреннего эффективного поля, полей магнитной анизотропии, молекулярных полей, а также полей размагничивания. Вектора магнитного момента испытывают прецессию, при которой они почти антипараллельны, что соответствует поведению ферромагнетиков (и относят к ферромагнитному резонансу). Высокочастотные же ветви характерны для ферримагнитного резонанса, и соответствуют прецессиям намагниченности подрешёток, у которых нарушена антипараллельная ориентация. Частоты таких ветвей ферримагнитного резонанса определяются т. н. обменными интегралами (интегралами обменных взаимодействий) между образующими ферримагнетик подрешётками, и соответствуют ИК-диапазону спектра.

Собственные частоты колебаний являются круговыми прецессиями намагниченностей подрешёток вокруг оси и обладают правым и левым направлением вращения:

Графическое представление прецессии намагниченностей подрешёток ферримагнетика (в случае двух подрешёток) в антипараллельном основном состоянии в двух случаях, слева — ферромагнитная прецессия, справа — обменный тип колебаний (ферримагнитная прецессия) представлены на рисунке 2.