Магнитоакусти́ческие эффе́кты, обусловлены магнитоупругим взаимодействием в магнетиках и немагнитных металлах. В магнитоупорядоченных твёрдых телах магнитоупругое взаимодействие представляет собой взаимодействие упругой подсистемы (кристаллической решётки) с магнитной (спиновой) подсистемой. В немагнитных металлах магнитоупругое взаимодействие проявляется через взаимодействие упругой подсистемы со свободными электронами металла во внешнем магнитном поле.

Рис. 1. Дисперсионные кривые невзаимодействующих волн в кубическом ферромагнетике.Рис. 1. Дисперсионные кривые невзаимодействующих волн в кубическом ферромагнетике.Магнитоупругое взаимодействие в магнетиках обычно является слабым, и во многих случаях им можно пренебречь и рассматривать магнитную и упругую подсистемы независимо. Однако в области совпадения частот колебаний спиновой и упругой подсистем, а также в области магнитных и ориентационных фазовых переходов роль магнитоупругого взаимодействия значительно возрастает, что приводит к росту магнитоакустических эффектов. Магнитоупругое взаимодействие проявляется как в статических, так и в динамических магнитоакустических эффектах. К статическим магнитоакустическим эффектам относится появление магнитоупругих напряжений в магнетиках и дополнительного вклада в магнитную анизотропию. Следствием этого является смещение точек магнитных и ориентационных фазовых переходов и нарушение симметрии кристаллов. К динамическим магнитоакустическим эффектам относится появление магнитоупругих волн, обусловленных взаимодействием спиновых и упругих волн. Происхождение магнитоупругих волн в магнетиках обусловлено тем, что упругие волны (колебания ионов в кристаллической решётке) сопровождаются распространением колебаний их магнитных моментов (спинов). В свою очередь, колебания магнитных моментов (спиновые волны) вызывают колебания ионов. В результате появляется связь между фононной (упругой) и спиновой (магнитной) подсистемами в динамике магнетиков. Дисперсионные кривые (зависимости частоты $\omega$ от волнового числа ${k}$) для спиновых, упругих и магнитоупругих волн, распространяющихся вдоль одного из рёбер решётки в кристаллах кубической симметрии, представлены на рис. 1 и 2. Вдали от точки пересечения частот колебаний спиновой и упругой подсистем (точка ${k}_{0}$) спиновые и упругие волны распространяются почти независимо друг от друга. В области пересечения роль магнитоупругого взаимодействия значительно возрастает, происходит расщепление дисперсионных кривых на две ветви, возникают две связанные магнитоупругие волны (квазиспиновая и квазиупругая). В этой области в магнетиках реализуется такой яркий магнитоакустический эффект, как магнитоакустический резонанс. При ${k} ≈ {k}_{0}$ возникает возможность резонансной перекачки энергии из одной подсистемы в другую.

Рис. 2. Дисперсионные кривые невзаимодействующих волн в кубическом ферромагнетике в точке ориентационного фазового перехода.Рис. 2. Дисперсионные кривые невзаимодействующих волн в кубическом ферромагнетике в точке ориентационного фазового перехода.Магнитоакустический резонанс позволяет возбуждать упругие волны в магнетиках переменным электромагнитным полем, а спиновые волны – звуковыми волнами. В области ориентационных фазовых переходов точка пересечения невзаимодействующих спиновых и упругих волн стремится к нулю (${k}_{0}→{0}$). Это приводит к новым магнитоакустическим эффектам, таким как появление магнитоупругой щели в спектре спиновых волн и уменьшение скорости звуковых волн. В самой точке перехода частота квазиспиновых волн определяется величиной магнитоупругой щели ${ω}_{me}$ (рис. 2), а закон дисперсии квазиупругих волн меняет свой характер с линейного на квадратичный, что проявляется в уменьшении скорости распространения квазиупругих волн (в теоретическом пределе – до нуля, при стремящемся к нулю волновом числе). Указанные эффекты справедливы как для объёмных, так и для поверхностных магнитоупругих волн.

К магнитоакустическим эффектам, которые резко возрастают в области магнитоакустического резонанса, магнитных и ориентационных фазовых переходов, также относятся индуцирование звуковой волной магнитной доменной структуры, резкий рост нелинейных магнитоупругих явлений – возникновение нелинейных объёмных и поверхностных магнитоупругих волн различного типа, гигантское усиление амплитуды УЗ-волн, возбуждаемых электромагнитными волнами, эффекты аномального отражения и поглощения электромагнитных волн, акустомагнитное запоминание информации в магнитных керамиках, резкое возрастание термодинамических и кинетических характеристик магнетиков (теплоёмкости, теплопроводности, второго звука, времени релаксации). В совокупности с другими видами взаимодействий в магнетиках (пьезомагнитным, магнитоэлектрическим) магнитоупругое взаимодействие приводит к существованию нового типа магнитоакустических поверхностных волн в магнетиках.

К магнитоакустическим эффектам относятся акустические гиромагнитные явления в магнетиках – вращение плоскости поляризации акустической волны и появление эллиптичности первоначально плоскополяризованной поперечной упругой волны при её распространении вдоль вектора намагниченности. Оба эффекта резко (резонансным образом) возрастают при приближении системы к магнитоакустическому резонансу или к ориентационному фазовому переходу. К магнитоакустическим эффектам относятся также акустический ядерный магнитный резонанс, акустический парамагнитный резонанс, акустомагнитоэлектрический эффект, акустоэлектромагнитный эффект.

В немагнитных металлах магнитоакустические эффекты проявляются в виде осцилляционных и резонансных зависимостей поглощения и скорости звука от напряжённости постоянного внешнего магнитного поля, обусловленных циклотронным характером движения свободных электронов. Наиболее ярко магнитоакустические эффекты в металлах проявляются в области квантующих магнитных полей, когда движение электронов носит одномерный характер, что выражается в появлении гигантских квантовых осцилляций. В области классических магнитных полей магнитоакустические эффекты обусловлены взаимодействием электронов, движущихся по периодическим траекториям в магнитном поле с периодическим (в пространстве и времени) полем звуковой волны. В области больших частот (когда частота звуковой волны больше обратного времени свободного пробега электронов) наблюдается резонансное поглощение звука при частоте звуковой волны, кратной циклотронной частоте (акустический циклотронный резонанс). Если расстояние ${u}$ между точками эффективного поглощения звука кратно длине звуковой волны, то проявляется ряд размерных магнитоакустических эффектов. Их характер зависит от взаимной ориентации волнового вектора ${k}$ звуковой волны и вектора напряжённости ${H}$ магнитного поля, а также от топологии ферми-поверхности металла. При ${k ⊥ H}$ в металлах с замкнутой ферми-поверхностью расстояние ${u}$ представляет собой характерный размер замкнутой траектории электронов и условие кратности u длине волны определяет осцилляции поглощения и скорости звука как функции обратного магнитного поля (геометрические осцилляции). При наличии открытых электронных орбит либо при неортогональности векторов электронных орбит ${k}$ и ${H}$ возникает дрейфовое движение электронов в направлении волнового вектора. В этом случае имеют место магнитоакустические резонансные явления. Наиболее сильно эти эффекты проявляются при наличии открытых электронных орбит, для которых значение ${u}$ не зависит от импульса электрона и условие резонанса выполняется для всех электронов (магнитоакустический резонанс на открытых орбитах).