Краткий отчёт по проекту РФФИ № 15-07-99654 за 2015-2017 гг
Физические основы новых генераторов электромагнитных волн на основе твердотельных материалов с фазовыми превращениями
Руководитель: Коледов В.В.
Аннотация. Проект направлен на поиск новых физических эффектов в твердотельных функциональных материалах, открывающих возможность усиливать, генерировать и принимать электромагнитные волны в широком диапазоне. В фокусе теоретических и экспериментальных работ - новые эффекты взаимодействия ЭМВ с твердотельными материалов с магнитными и структурными фазовыми переходами (ФП). Объектами поиска новых эффектов были следующие материалы с ФП типа «порядок- порядок»: интерметаллические сплавы Ti-Ni, Ni-Mn-Ga и соединение MnAs структурными переходами, а также оксид VO2 c ФП металл-диэлектрик, материалы с геликоидальным магнитным упорядочением.
Для экспериментальных исследований разработаны оригинальные методики, включая исследование слабого собственного излучения ЭМВ от твердотельного образца с ФП и измерения коэффициента отражения достаточно сильной ЭМВ от образца с ФП. Основной методический подход заключался в том, что полученные данные обрабатывались на основе модели, предполагающей чисто тепловой характер излучения образца, а результирующие изменения эффективной температуры, полученные при измерении слабого собственного излучения и отражения достаточно сильной ЭМВ в диапазоне 8 мм сравнивались между собой. Кроме того, для повышения чувствительности применялся резонаторный метод, при котором образец в виде порошка помещался в стеклянный капилляр и устанавливался в центре резонатора ЭМВ СВЧ.
С применением новых методик получены следующие основные результаты. В спектре собственного излучения образца Ti-Ni с термоупругим структурным ФП при обратном переходе (то есть при нагреве) наблюдаются аномалии, которые не объясняются изменением коэффициента отражения при чисто тепловом характере излучения. Возможно, они могут быть объяснены наличием специфического фазовопереходного излучения (ФПИ). При исследовании температурной зависимости электромагнитного отклика резонаторным методом выявлены резкие аномалии вблизи магнитоструткруного ФП вблизи в MnAs и вблизи перехода металл-диэлектрик в VO2. (см. Рис. 1).
В ходе теоретических исследований выполнялись теоретические работы по изучению природы ФПИ в твердых телах. Исследована возможность генерации упругих и электромагнитных волн в спиральных магнетиках при переориентации намагниченности. Исследования показали, что амплитуда возбуждаемых волн пропорциональна скорости изменения основного состояния. Длина волны генерируемого излучения обоих видов равна периоду спирали. Характерные частоты ЭМВ, возбуждаемых при ФП лежат в диапазоне видимого света. Частоты упругих волн варьируются от нескольких сотен гигагерц до терагерцевого диапазона, что соответствует гиперзвуковым колебаниям. Рассмотрены модели описания кинетики ФП в системах с двумя взаимодействующими параметрами порядка. Модели построены на самосогласованной системе уравнений движения параметров порядка (типа уравнений Ландау-Халатникова) и теплопроводности. Проведено моделирование кинетик и ФП при различных значениях параметра взаимодействия. Была также исследована магнитострикционная генерация ультразвука в спиральных магнетиках в непосредственной близости от индуцированного магнитным полем фазового перехода от спирального к коллинеарному состоянию. Обнаружено, что такие магнетики могут генерировать поперечные звуковые волны сдлиной волны, равной периоду спирали. Были рассмотрены два типа спиральных магнитных структур: в пределах однородного обмена и взаимодействия Дзялошинского - Мория. Найдено, что частота обменных волн, вызванных разрушением спиральной магнитной структуры может достигать нескольких ТГц, в то время как в случае взаимодействия Дзялошинского-Мория, частота менее 1 ТГц. Эти волны будут генерироваться в виде импульсов ультразвука. Амплитуда волн сильно зависит от скорости фазового перехода. Также исследовано взаимодействие ультразвуковой и электромагнитной волн в окрестности ФП спиральное – однородное состояния.
