Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки

Інcтитут/Факультет: 
ІВТ
Курс: 
2-Маг
Семестр: 
3
Підсумковий контроль: 
іспит
Лектор: 

Шека Д. Д., д. ф.-м. н., доцент

Кафедра: 
Кафедра математики, теоретичної фізики і комп-рних технологій
Вид навчального курсу: 
Курс за вибором студентів

 
Дисципліна "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є однією з профілюючих для спеціалізації „Високі технології", яка викладається в 3 семестрі магістратури в обсязі 3 кредитів (за Європейською Кредитно-Трансферною Системою ECTS), в тому числі 54 години аудиторних занять. З них 36 годин лекцій, 18 практичних. Передбачається, що студенти матимуть 54 годин самостійної роботи. Підсумковий контроль у 3 семестрі – залік.
Метою вивчення дисципліни "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є ознайомлення студентів з основними ідеями і методами сучасної фізики магнетизму. Курс "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є важливою складовою підвищення фундаментальної підготовки та вдосконалення їх умінь на старших курсах.
Предметом навчальної дисціпліни "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є магнітовпорядковані системи, зокрема наномагнетики.
В курсі детально розглядаються основи сучасного магнетизму, методи спостереження, дослідження, аналізу магнітних явищ. I модульний контроль — основи магнетизму; II модульний контроль — низьковимірний магнетизм та наномагнетизм.
Вимоги до знань та вмінь.
Студент повинен знати: основи теорії магнетизму, основні методи аналізу магнітних систем, основні фізичні явища, що спостерігаються в магнетиках. Мати уявлення про практичні застосування магнетиків в сучасних мікро- та нано-електронних технологіях.
Студент повинен вміти: аналізувати магнітні явища, оцінювати величини ефектів, пояснювати результати експериментів на основі побудови простих моделей. 
Місце в структурно-логічній схемі спеціальності. Дисципліна "Сучасний магнетизм: від основ до нанодинаміки" є складовою фундаментальної підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня "магістр" на спеціалізації «Високі технології», є підсумковим курсом, що в логіко-структурній схемі освіти на старших курсах спирається на курси, що вивчалися раніше: "Вибрані розділи математики та інформаційних технологій", "Вибрані розділи фізики", "Фундаментальні основи високих технологій".
 
 
Докладний план лекцій, практичних занять
та самостійних завдань
Змістовий модуль № 1: "Основи магнетизму"
 
Тема № 1. «Історія магнетизму»
 
Лекція № 1. Історія магнетизму (2 год).
Історія магнетизму. Магнітні та електричні поля всередині матеріалів. Магнітні моменти та їх взаємодія з магнітними полями.
Рекомендована література: [1,3,7].
Тема № 2. «Магнітні взаємодії»
Лекція № 2. Магнітні взаємодії (2 год).
Концепція магнітних взаємодій. Обмінна, спін-орбітальна, зееманова взаємодії та диполь-дипольна взаємодії. Магнітовпорядковані кристали. Феромагнетики, антиферомагнетики, ферімагнетики.
Рекомендована література: [1,3,5,7].
Тема № 3. «Діамагнетики та параматнетики»
Лекція № 3. Діамагнетики та параматнетики (2 год).
Магнітні властивості діамагнетиків та параматнетиків. Діамагнетизм Ландау. Парамагнетизм Паулі.
Рекомендована література: [1,3,7].
Тема № 4. «Взаємодії в твердих тілах»
Лекція № 4. Взаємодії в твердих тілах (2 год).
Електронні та магнітна взаємодії в твердих тілах. Зонна теорія феромагнетизму. Теорія лігандів. Магнетизм перехідних металів.
Рекомендована література: [1,3,7].
Тема № 5. «Феромагнітні метали»
Лекція № 5. Феромагнітні метали (2 год).
Властивості феромагнітних металів. Спонтанна намагніченість, магнітокристалева анізотропія.
Рекомендована література: [1,3,5,7].
Тема № 6. «Мікромагнетизм»
Лекція № 6. Мікромагнетизм (2 год).
Теорія мікромагнетизму. Феноменологічний опис феромагнетика. Енергетика класичного феромагнетика: обмінна енергія, енергія магнітної анізотропії та магнітостатична енергії.
Практичне заняття. Мікромагнетизм (2 год).
Феноменологічний опис класичного феромагнетику.
Рекомендована література: [1–5,7].
 
Тема № 7. «Динаміка феромагнетика»
Лекція № 7. Динаміка феромагнетика (2 год).
Динаміка феромагнетика. Мікроскопічні рівняння Ландау-Лифшиця, сучасні підходи. Спінові хвилі в феромагнетиках. Феромагнітний резонанс. Магнітостатичні та магнітопружні хвилі.
Рекомендована література: [1–5,7].
Тема № 8. «Доменна структура феромагнетиків»
Лекція № 8. Доменна структура феромагнетиків (2 год).
Доменна структура феромагнетиків. Сучасні методи спостереження доменної структури. Домени в масивних зразках.
Практичне заняття. Динаміка та доменна структура феромагнетику (2 год).
Рівняння Ландау-Лифшица, методи аналізу. Спінові хвилі та солітонні розв’язки.
Рекомендована література: [1–5,7].
Тема № 9. «Доменна стінка»
Лекція № 9. Доменна стінка (2 год).
Структура та динаміка доменної стінки. Маса доменної стінки. Гістерезисні явища. Циліндричні магнітні домени.
Рекомендована література: [1–7].
 
Модульний контроль №1 (2 години)
Контрольні запитання.

  1. Концепція магнітних взаємодій: обмінна, спін-орбітальна, зееманова взаємодії та диполь-дипольна взаємодії.
  2. Магнітовпорядковані кристали: феромагнетики, антиферомагнетики, ферімагнетики.
  3. Магнітні властивості діамагнетиків та параматнетиків: діамагнетизм Ландау та парамагнетизм Паулі.
  4. Зонна теорія феромагнетизму
  5. Теорія мікромагнетизму. Феноменологічний опис феромагнетика.
  6. Мікроскопічні рівняння Ландау-Лифшиця.
  7. Спінові хвилі в феромагнетиках: феромагнітний резонанс, магнітостатичні та магнітопружні хвилі.
  8. Доменна структура феромагнетиків.
  9. Блохівська та неелівська доменні стінки. Динаміка доменної стінки: маса доменної стінки.
  10. Циліндричні магнітні домени.

 
Змістовий модуль № 2: " Низьковимірний магнетизм та наномагнетизм "
 
Тема № 10. «Одновимірні магнітні солітони»
Лекція № 10. Одновимірні магнітні солітони (2 год).
Низьковимірний магнетизм. Одновимірні магнітні солітони у феромагнетиках. Солітонна термодинаміка.
Практичне заняття. Солітони (2 год).
Одновимірні магнітні солітони: структура, динаміка, термодинаміка.
Рекомендована література: [1,2].
 
Тема № 11. «Феноменологія антиферомагнетика»
Лекція № 11. Феноменологія антиферомагнетика (2 год).
Феноменологічний опис антиферомагнетика. Спінові хвилі та динаміка доменної стінки в антиферомагнетиках.
Рекомендована література: [1–3,5].
 
Тема № 12. «Двовимірні магнітні солітони»
Лекція № 12. Двовимірні магнітні солітони (2 год).
Двовимірні магнітні солітони. Структура та динаміка солітонів. Топологічний фазовий перехід Березинського-Костерліца-Таулеса та магнітні вихори.
Практичне заняття. Двовимірні солітони (2 год).
Властивості двовимірних магнітних солітонів.
Рекомендована література: [1,2,4].
 
Тема № 13. «Магнетизм наномагнетиків»
Лекція № 13. Магнетизм наномагнетиків (2 год).
Магнетизм наномагнетиків. Застосування наномагнетиків. Неоднорідні магнітні структури в наночастинках. Методи спостережування наноструктур.
Практичне заняття. Наномагнетики (2 год).
Неоднорідні магнітні структури в наномагнетиках.
Рекомендована література: [1,4,5,8–10].
 
Тема № 14. «Мікромагнітні моделювання»
Лекція № 13. Мікромагнітні моделювання (2 год).
Мікромагнітні рівняння динаміки намагніченості. Ідеї мікромагнітних моделювань і спін-ґраткових моделювань.
Практичне заняття. Мікромагнітні моделювання (2 год).
Сучасні пактети комп’ютерного мікрмагнітного моделювання. Приклади розв’язування задач мікромагнетизму за допомогою мікромагнітного моделювання.
Рекомендована література: [1,4,5,11].
 
 
Тема № 15. «Поверхневі магнітні явища»
Лекція № 14. Поверхневі магнітні явища (2 год).
Мікромагнітні явища явища на поверхнях та інтерфейсах феромагнітних металів.
Рекомендована література: [1,4–6,8–10].
 
 
Тема № 16. «Спін-залежний транспорт в феромагнетиках»
 
Лекція № 15. Спін-залежний транспорт в феромагнетиках (2 год).
Спін-залежний транспорт в феромагнетиках. Явище гігантського магнітоопору. Спіновий крутильний момент та спін-залежна динаміка намагніченості в наноструктурах.
Рекомендована література: [1,4,6,8–10].
 
Тема № 17. «Спінові хвилі в наномагнетиках»
 
Лекція № 16. Спінові хвилі в наномагнетиках (2 год).
Лінійна динаміка намагніченості в наномагнетиках. Спінові хвилі в наномагнетиках. Методи спостережування.
Рекомендована література: [1,4,8–10].
 
 
Тема № 18. «Ультрашвидка динаміка намагніченості в наночастинках»
 
Лекція № 17. Ультрашвидка динаміка намагніченості в наночастинках (2 год).
Нелінійна ультрашвидка динаміка намагніченості в наночастинках. Явища перемикання. Керування динамікою намагніченості за допомогою полів та струмів. Теорія та експеримент.
Практичне заняття. Вихори в наномагнетиках (2 год).
Дослідження структури та динаміки магнітних вихорів.
Рекомендована література: [1,4,8–10].
 
 
Модульний контроль №2
Контрольні запитання.

  1. Одновимірні магнітні солітони у феромагнетиках.
  2. Солітонна термодинаміка.
  3. Феноменологічний опис антиферомагнетика.
  4. Двовимірні магнітні солітони. Структура та динаміка солітонів.
  5. Топологічний фазовий перехід Березинського-Костерліца-Таулеса та магнітні вихори.
  6. Магнетизм наномагнетиків. Застосування наномагнетиків.
  7. Неоднорідні магнітні структури в наночастинках. Методи спостережування наноструктур.
  8. Мікромагнітні явища явища на поверхнях та інтерфейсах феромагнітних металів.
  9. Спін-залежний транспорт в феромагнетиках. Явище гігантського магнітоопору.
  10. Спіновий крутильний момент та спін-залежна динаміка намагніченості в наноструктурах.
  11. Спінові хвилі в наномагнетиках. Методи спостережування.
  12. Нелінійна ультрашвидка динаміка намагніченості в наночастинках. Явища перемикання.
  13. Керування динамікою намагніченості за допомогою полів та струмів. Теорія та експеримент.

 
 
 
Організація самостійної роботи студентів
 
Перелік питань змістових модулів, винесених на самостійну роботу:
 
 

  • Змістовий модуль № 1, тема № 6.
    • Магнітна дипольна взаємодія[3, стор. 25-29].
    • Тензор коефіцієнтів розмагнічування [3, стор. 29-32].

 

  • Змістовий модуль № 1, тема № 8.
    • Тензор високочастотної магнітної спийнятливості феромагнетика [3, стор. 60-62].
    • Затухання спінових хвиль [3, стор. 64-68].

 

  • Змістовий модуль № 2, тема № 11.
    • Тензор високочастотної магнітної спийнятливості антиферомагнетика

[3, стор. 70-73].

  • Змістовий модуль № 2, тема № 14.
    • Мікромагнітні моделювання в пакеті OOMMF [11].

 
 
Підсумковий контроль – іспит.
 

Список літератури: 

 

а) основна література:

  1. J. Stöhr and H. C. Siegmann, Magnetism: From Fundamentals to Nanoscale Dynamics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.

  2. А. М. Косевич, Б. А. Иванов, А. С. Ковалев, Нелинейные волны намагниченности. Динамические и топологические солитоны. Киев, 1983.

  3. А. И. Ахиезер, В. Г. Барьяхтар, С. В. Пелетминский, Спиновые волны. – М.:Наука, 1967.

б) додаткова література

  1. A. Hubert and R. Schafer, Magnetic domains: the analysis of magnetic microstructures, Springer-Verlag, 2000.

  2. A. Aharoni, Introduction to the theory of Ferromagnetism, Oxford University Press, 1996.

  3. О. В. Третяк, В. А. Львов, О. В. Барабанов, Фізичні основи спінової електроніки, К., 2002.

  4. С. В. Вонсовский, Магнетизм. М., Наука, 1971.

  5. B. Hillebrands, K. Ounadjela, Spin dynamics in confined magnetic structures I (Topics in Applied physics), Springer, 2002.

  6. B. Hillebrands, K. Ounadjela, Spin dynamics in confined magnetic structures II (Topics in Applied physics), Springer, 2003.

  7. B. Hillebrands, A. Thiaville, Spin dynamics in confined magnetic structures III (Topics in Applied physics), Springer, 2006.

в) джерела іnternet

  1. The Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF) project at ITL/NIST. http://math.nist.gov/oommf/

 

ПереглядДолученняРозмір
sheka_magnetism.doc167.5 КБ
sheka_magnetism.pdf277.6 КБ
ІНСТИТУТ ВИСОКИХ ТЕХНОЛОГІЙ Матеріали дозволено використовувати на умовах GNU FDL без незмінюваних секцій та Creative Commons Attribution/Share-Alike
Дизайн: Інститут високих технологій
Ivan Ivanov