Введение. Доменные структуры магнетиков на протяжении многих лет являются объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, вызванных интересами как прикладной, так и фундаментальной науки. Интерес к исследованию пленок ферритов-гранатов объясняется тем, что степень проявления различных свойств в таких пленках гораздо выше, чем у объемных монокристаллов того же свойства.

В последние годы публикуется много работ, связанных с контролируемым переносом парамагнитных коллоидных частиц по поверхности пленки феррита-граната [1]. Исследуется перемещение частиц как на поверхности полосовых доменов, так и на поверхности решетки цилиндрических магнитных доменов (ЦМД). Перемещение парамагнитных частиц по поверхности рисунка доменных структур происходит под влиянием внешних магнитных полей. Но эти поля влияют и на доменную структуру, вызывая в ней фазовые переходы. Такое влияние необходимо учитывать при контролируемой транспортировке магнитных частиц по поверхности пленки.

Цель данной работы – изучить особенности поведения парамагнитных коллоидных частиц на поверхности пленки феррита-граната при индуцированных внешним магнитным полем фазовых переходов (ФП) в доменных структурах.

Такие исследования актуальны. Как показывает время, эти результаты могут быть востребованы в разных областях: микроэлектронике – запись и хранение информации; в медицине – направленная транспортировка биологических частиц, т.е. локальное лечение; в химии – сортировка частиц по их размерам. К тому же, при создании микроустройств можно совместить указанные области применения.

Основная часть. Для исследования выбрана феррит-гранатовая пленка с развитой поверхностью <111>, выращенная методом жидкофазной эпитаксии на гадолиний-галлиевой подложке, состав редкоземельной подрешетки YSmLuCa. Толщина пленки h=6.8мкм. При комнатной температуре намагниченность насыщения пленки 0.258мТл, фактор качества Q>5.

В качестве магнитных частиц используются магнитомаркированные ионами железной окалины дрожжевые клетки Saccharomyces cerevisiae [2]. Исследуемый раствор готовится следующим образом: 10 микролитров суспензии магнитомаркированных клеток помещается в пробирку Эппендорфа. Затем в нее добавляется 5 микролитров 10% додецилсульфата натрия и 1 миллилитр дистиллированной воды. Содержимое пробирки тщательно перемешивается. На очищенную спиртом поверхность пленки феррита граната наносится 5 микролитров подготовленной суспензии.

Транспортировка магнитомаркированных клеток происходит под действием магнитного поля, имеющего следующие параметры: индукция B=54мТл, частота ν=2Гц, форма управляющего сигнала пилообразная. Формирование внешних магнитных полей осуществляется с помощью магнитной системы. Визуальную картину доменной структуры наблюдаются благодаря эффекту Фарадея на поляризационном микроскопе МКД-Р и регистрируют цифровым фотоаппаратом. Под действием импульсного магнитного поля в феррит-гранатовой пленке формируется решетка ЦМД.

В работе исследовано локализованное движение магнитомаркированных клеток вокруг цилиндрических магнитных доменов. Такое движение создается управляющим магнитным круговым полем индукции B=22мТл в диапазоне частот (1-10)Гц. Наиболее яркие эффекты локализованного движения клеток вокруг ЦМД наблюдается в диапазоне намагниченности насыщения пленки (0.1-0.22)4πMS. Замечено, что динамика локализованного движения клетки зависит от величины индукции поля, нормального к поверхности пленки (поле смещения). Движение клетки наблюдается при увеличении поля смещения в пределах (2.97-5.69)мТл. Это объясняется тем, что в таком диапазоне величины поля смещения сохраняется решетка ЦМД. В поле смещения, антипараллельном намагниченности внутри ЦМД, при величине индукции B≥5.69мТл в решетке ЦМД происходит фазовый переход первого рода путем исчезновения центрального домена гексагональной упаковки в новую решетку с меньшим диаметром ЦМД и большим периодом.

В поле смещения, совпадающим по направлению с намагниченностью внутри ЦМД, при величине индукции B≥2.97мТл в решетке происходит фазовый переход второго рода в сотовую структуру. При этом сохраняется число доменов, а ЦМД приобретают форму шестиугольника. Магнитомаркированные клетки выстраиваются вдоль доменных границ и визуализируют доменную структуру.

При последующем увеличении индукции поля совпадающего с направлением намагниченности внутри ЦМД, в сотовой структуре происходит фазовый переход первого рода в кластерную структуру. Магнитомаркированные клетки визуализируют доменные границы и этой структуры.

При увеличении индукции поля в кластерной структуре происходят изменения. Размеры некоторых доменов уменьшаются, а также уменьшается и длина доменных границ. В этом случае под влиянием градиента магнитного поля рисунка доменов парамагнитные клетки перемещаются на поверхности домена.

Заключение. Под действием небольшой величины индукции внешнего магнитного поля (по сравнению с величиной намагниченности насыщения пленки феррита-граната) в доменной структуре происходят фазовые переходы. Доменная граница генерирует сильный локальный градиент магнитного поля, который оказывает влияние на особенности поведения магнитомаркированных биологических клеток. Таким образом, клетки локализуются вблизи доменных границ и визуализируют магнитный рисунок, полученный при фазовых переходах в пленке феррита-граната.



1. Tierno P., Arthur V. Transport and selective chaining of bidisperse particles in a travelling wave potential // Eur. Phys J E Soft Matter. 2016, V.39(5), N54. DOI: 10.1140/epje/i2016-16054-1.

2. Беспалова С.В., Легенький Ю.А., Холявка М.Г., Солопов М.В. Инверсия сахарозы и биосорбция ионов Cu2+ магнитомаркированными клетками Saccharomyces cerevisiae // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2017, №1. -С.98-101.

Introduction. Domain structures of magnetics have been the subject of intensive experimental and theoretical research for many years, caused by the interests of both applied and fundamental science. Interest in the study of ferrite-garnet films is explained by the fact that the degree of manifestation of various properties in such films is much higher than in the bulk single-crystals of the same property.

In recent years, many works have been published related to the controlled transfer of paramagnetic colloidal particles over the surface of a ferrite-garnet film [1]. The motion of particles both on the surface of stripe domains and on the surface of a lattice of cylindrical magnetic domains (CMD) is being studied. The motion of paramagnetic particles over the surface of the pattern of domain structures (DS) occurs under the influence of external magnetic fields. But these fields also affect the DS, causing phase transitions (PT) in it. This influence must be taken into account in the controlled transport of magnetic particles over the film surface.

The aim of work is to study the peculiarities of behavior of paramagnetic colloidal particles on the surface of a ferrite-garnet film during PT induced by an external magnetic field in domain structures.

Such studies are relevant. As time shows, these results can be demand in different scopes: in microelectronics - recording and storage of information; in medicine - directed transportation of biological particles, i.e. local treatment; in chemistry - sorting particles according to their size. In addition, when creating microdevices, these scopes of applicability can be combined.

Main part. The investigations were carried out on a ferrite-garnet film with a developed surface <111> grown by liquid-phase epitaxy method on a gadolinium gallium substrate, a composition of rare-earth sublattice YSmLuCa. Film thickness h=6.8µm. The film at a room temperature has the saturation magnetization 0.258mT and quality factor Q>5.

Yeast cells (Saccharomyces cerevisiae) magneto-marked with iron oxide ions are used as magnetic particles [2]. The test solution is prepared as follows: 10 microliters of the magneto-marked cell suspension is placed in an Eppendorf tube. Then 5 microliters of 10% sodium dodecyl sulfate and 1 milliliter of distilled water are added to it. The contents of the tube are thoroughly mixed. Five microliters of the prepared suspension is applied to the surface of the ferrite-garnet film cleaned with alcohol.

Transportation of magneto-marked cells occurs under the action of a magnetic field with the following parameters: induction B=54mT, frequency ν=2Hz, the shape of the control signal is sawtooth. The formation of external magnetic fields is carried out using the magnetic system. The visual pattern of the DS is observed due to the Faraday Effect on a polarizing microscope MKD-R and recorded with a digital camera. The action of a pulsed magnetic field creates a lattice of CMD in the ferrite-garnet film.

In this work, the localized movement of magneto-marked cells around CMD has been studied. Such movement is created by the control magnetic circular field of induction B=22mT in the frequency range (1-10)Hz. The most pronounced effects of localized cell movement around the CMD are observed in the film saturation magnetization range (0.1–0.22)4πMS. It has been noted that the dynamics of localized cell movement depends on the magnitude of the field induction normal to the film surface (displacement field). Cell movement is observed with an increase in the displacement field within (2.97-5.69)mT. This is explained by the fact that the CMD lattice is preserved in such range of the displacement field. If the displacement field is antiparallel to the magnetization inside the CMD, then at an induction value of B≥5.69mT, a first-order PT occurs in the CMD lattice due to the disappearance of the central domain of hexagonal packing into a new lattice with a smaller CMD diameter and a large period.

If the displacement field is coincides in direction with the magnetization inside the CMD, then at an induction value of B≥2.97mT, a second-order PT into a honeycomb structure occurs in the lattice. In this case, the number of domains is conserved and CMDs acquire the shape of a hexagon. Magneto-marked cells line up along domain boundaries and visualize the domain structure.

With a subsequent increase in the induction of the field coinciding with the direction of magnetization inside the CMD, a first-order PT occurs in the honeycomb structure into a cluster structure. The magneto-marked cells visualize the domain boundaries of this structure as well.

As the field induction increases, changes occur in the cluster structure. The sizes of some domains decrease, and the length of domain boundaries also decreases. In this case, the paramagnetic cells move on the surface of domain under the influence of the magnetic field gradient from the pattern of domains.

Conclusion. The action of low value of the induction of external magnetic field (compared to the value of saturation magnetization of the ferrite-garnet film) occur a phase transitions in the domain structure. Domain boundary generates a strong local magnetic field gradient, which affects on peculiarities of the behavior of magneto-marked biological cells. Thus, the cells are localized near the domain boundaries and visualize the magnetic pattern obtained during phase transitions in the ferrite-garnet film.



1. Tierno P., Arthur V. Transport and selective chaining of bidisperse particles in a travelling wave potential // Eur. Phys J E Soft Matter. 2016, V.39(5), N54. P.16054. DOI: 10.1140/epje/i2016-16054-1.

2. Bespalova S.V., Legenky Yu. A., Holyavka M.G., Solopov M.V. Inversion of sucrose and biosorption of Cu2+ ions by magnetic-marked saccharomyces cerevisiae cells // Proceedings of Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy. 2017, №1. -P.98-101.