Параметричні магнітоакустичні ефекти у магнітних діелектриках та композитних матеріалах

Одной из перспективных структур для систем обращения волнового фронта являются композитные материалы на основе редкоземельного интерметаллического соединения Tb_0.3Dy_0.7Fe₂ (Терфенол-D). Данное соединение, обладая гигантской магнитострикцией и скомпенсированной магнитной анизотропией в области комнатных температур, демонстрирует величину коэффициента магнитоупругой связи ~ 80%. Сильная магнитоупругая связь проявляется как в гигантском магнитострикционном деформировании, так и в сильной зависимости линейных и нелинейных модулей упругости от напряженности магнитного поля. Композитные материалы содержат магнитострикционный материал в виде мелких (от сотен до десятков микрон) частиц, внедренных в диэлектрическую матрицу, что позволяет решить проблему проникновения высокочастотного магнитного поля в глубину материала. Такие структуры обладают достаточно высокой магнитострикцией и имеют рабочий частотный диапазон, расширенный от единиц герц до единиц мегагерц. В рамках диссертации экспериментально исследовано параметрическое взаимодействие магнитоупругих колебаний с полем электромагнитной накачки в композите на основе Терфенола-D и в пористом никелевом феррите - перспективных материалах с акустическим импедансом, близким к импедансу воды. Такие исследования стали возможны благодаря оригинальной импульсной методике, позволяющей с высокой чувствительностью регистрировать влияние накачки на декремент затухания магнитоупругих колебаний в допороговом параметрическом режиме. Чувствительность скорости звука к переменному магнитному полю составила 4.39%/кЭ и 3.39%/кЭ для композита и феррита соответственно. Результаты приводятся в сравнении с данными, полученными на поликристаллическом никелевом феррите.

Параметрическое взаимодействие ультразвука с полем магнитной накачки в материалах с магнитоупругой связью является нелинейным эффектом 2-го порядка. Несмотря на то, что нелинейные магнитоупругие взаимодействия более высоких порядков также представляют как фундаментальный, так и прикладной интерес, экспериментальные исследования таких взаимодействий практически не проводились. В диссертации сообщаются результаты экспериментального наблюдения генерации трехфононных связанных состояний в высокотемпературном антиферромагнетике б-Fe₂O₃ в поле поперечной электромагнитной накачки. Исследованы допороговые и запороговые режимы генерации связанных состояний при изменениях сдвига фазы накачки относительно фазы трехфононного коррелятора акустического поля. Теоретически показано, что инкремент усиления резонансных колебаний зависит не только от амплитуды накачки, но и от амплитуды самих резонансных колебаний, что отличается от случая классического параметрического взаимодействия. Увеличение амплитуды колебаний ограничивается нелинейным сдвигом частоты резонансной моды низкочастотных магнитоупругих колебаний. В результате численного моделирования показано, что повышение амплитуды низкочастотных магнитоупругих резонансных колебаний приводит к специфическому запороговому режиму генерации связанного состояния трех квазифононов, сопровождающемся формированием сингулярности магнитоакустического поля за конечное время накачки. Результаты согласуются с теорией резонансного нелинейного взаимодействия квазифононов с электромагнитным полем.

Ключевые слова: никелевый феррит, композит, гематит, магнитоупругая волна, обращение волнового фронта, инкремент параметрического усиления.

SUMMARY

Rudenko V.V. Parametrical magnetoacoustical effects in magnetic dielectrics and composite materials. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Ph.D. by the specialty 01.04.11 - magnetism. V. I. Vernadsky Taurida national university, Simferopol, 2008.

Influence of a structure of the polycrystalline nickel based ferrites on magnetoelastic coupling in ultrasonic range is investigated experimentally. Sound velocity dependencies on magnetizing field are given. Maximum magnetoelastic coupling coefficient of 59% and sensitivity of shear sound velocity a magnetic field of 100% was obtained for Fe_2,026Ni_0,95Co_0,024О₄ ferrite sample. The sample was tested in wave phase conjugation system, for the first time gain increment has made 4.5 мs^-1 that twice higher than values obtained earlier.

Due to original high sensitivity pulse method the parametric interaction between electromagnetic pumping field and magnetoelastic oscillations is studied experimentally in perspective materials with acoustical impedance close with water: the Tb_0.3Dy_0.7Fe₂ (Terfenol-D) based composite and porous ferrite of Fe_1.943Ni_0.945Co_0.026Sm_0.059О₄ structure. Sound velocity sensitivity on pumping AC magnetic field was found as 4.39%/кOe and 3.39%/кOe for the composite and porous ferrite respectively. Application of studied materials in ultrasonics for acoustic matching of parametric wave phase conjugators with water is discussed.

The results of experimental observation of generation process of three-phonon bound states in high-temperature antiferromagnet б-Fe₂O₃ under transversal pumping field influence executed for the first time are presented. Sub-threshold and over-threshold modes of three-bound states with controlled phase of pumping relative to the phase of three-phonon correlator of an acoustical field are investigated with original pulse method. Specificity of above-threshold mode is the forming of singularity in a finite pumping duration. Singularity progress is stabilized by internal nonlinear processes in a quasiphonon system. Experimental results are in a good match with the theory of resonant nonlinear interaction of quasiphonon with an electromagnet field.

Keywords: nickel ferrite, composite, hematite, magnetoelastic wave, wave phase conjugation, parametrical gain increment.