Магнитные структуры в кристаллических и аморфных веществах
nО,
СоО, FeО) и хлоридов Fe, Co и Ni. Некоторые 3d-элементы (Сr, ?-Мn) и 4f-
элементы (Pr, Nd и др.) имеют более сложные антиферромагнитные структуры,
для описания которых недостаточно модели двух подрешеток. Недавно обнаружен
антиферромагнетизм в полупроводниках (халькогениды Mn, Cr, Eu и Gd). В
последнее время вызывают значительный интерес антиферромагнитные
редкоземельные ферриты-гранаты, в которых ионы железа замещены алюминием и
галлием (Dy3Al5O12 и Dy3Ga5O12). В них наблюдаются трансформации
антиферромагнитной структуры при действии магнитного поля. Эти со-
единения представляют интерес в качестве магнитных хладоагентов для
получения низких температур методом магнитного охлаждения в магнитных
холодильных машинах.
В некоторых веществах комбинация обмена и спин-орбитального взаимодействия
приводит к тому, что магнитные моменты подрешеток становятся не строго
антипараллельны, вследствие чего возникает слабый ферромагнитный момент M.
Такие магнетики называют слабыми ферромагнетиками. Слабый ферромагнетизм
антиферромагнетиков был открыт и объяснен А.С. Боровиком-Романовым и И.Е.
Дзялошинским. К их числу относятся редкоземельные ортоферриты (TbFeO3),
гематит Fe2O3, CoCO3 и др.
ФЕРРИМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ
Ферримагнетик, так же как и антиферромагнетик, состоит из двух
ферромагнитных подрешеток, магнитные моменты которых ориентированы
навстречу друг другу (рис. 2, а). Однако в отличие от антиферромагнетиков
эти магнитные моменты не равны друг другу, в результате чего образуется
результирующая спонтанная намагниченность, которая исчезает выше
температуры Кюри ТC. Различие магнитных моментов подрешеток обусловлено
тем, что подрешетки образуются из ионов разных элементов либо из ионов
одного и того же элемента, но с разной валентностью. Интересно отметить,
что
[pic]
магнетит Fe3О4, первое сильномагнитное вещество, известное в глубокой
древности, является ферри-магнетиком. Одна подрешетка магнетита образова-
СПИРАЛЬНЫЕ И ПЕРИОДИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ СТРУКТУРЫ
Спиральный магнетизм характеризуется спиральным расположением магнитных
моментов относительно некоторых кристаллических осей. Он является частным
случаем более общего явления — магнитного упорядочения с периодическим
изменением компонентов атомных магнитных моментов вдоль
кристаллографических направлений.
Наиболее простой случай таких структур — антиферромагнитная спираль, или
геликоид. Она встречается в редкоземельных металлах Eu, Tb, Dy, Ho, в
соединении MnAu2 и некоторых окисных соединениях. Эту структуру можно
представить как последовательность атомных плоскостей, перпендикулярных оси
геликоида. Все атомы одной и той же плоскости имеют одинаково направленные
магнитные моменты и образуют магнитный слой.
В металлических спиральных магнетиках период этих структур часто не
совпадает с периодом кристаллической решетки. Это объясняют тем, что в
металлах спиральное магнитное упорядочение локализованных электронов
(например, 4f-электронов) зависит от специфических особенностей
энергетического спектра электронов проводимости (s-электроны), которые
поляризуются за счет s — f-обменного взаимодействия. Спиральное
расположение магнитных моментов 4f-электронов приводит к образованию
плоскостей энергетических разрывов и энергетических щелей в энергетическом
спектре электронов проводимости, что существенно модифицирует этот спектр.
В результате спиральное и периодическое расположение магнитных моментов
становится энергетически более выгодным, чем простое ферромагнитное. В этом
случае период магнитной структуры определяется предельным импульсом
электронов проводимости — импульсом Ферми [4].
В последние годы в магнетиках было обнаружено большое число модулированных
магнитных структур, период которых не связан с периодом кристаллической
решетки (несоизмеримые структуры). Период модуляции может непрерывно
изменяться с температурой, при этом его значения не совпадают с периодом
кристаллической решетки. Однако при достижении некоторых значений,
соизмеримых с периодом кристаллической решетки, период модулированной
структуры в некотором интервале температур не изменяется. Другое новое
явление, обнаруженное недавно, заключается в появлении в ряде магнетиков
дополнительной модуляции периодической магнитной структуры (спин-слип-
структуры). Здесь параллельные магнитные моменты соседних слоев как бы
соединяются в небольшие блоки, а переход от одного блока к другому
сопровождается поворотом магнитных моментов блоков на некоторый угол.
СПЕРОМАГНЕТИЗМ
В парамагнитном состоянии магнитный момент ? каждого отдельно выбранного
иона испытывает сильные флуктуации, поэтому среднее значение по времени для
проекции mi на любое направление равно нулю (при Н=0). Представим себе, что
мы охлаждаем парамагнетик, в котором обменные интегралы Ау между соседними
ионами i и j могут иметь как положительные, так и отрицательные значения.
За счет обменных полей тепловые флуктуации ниже некоторой температуры Тсп
будут подавлены, однако магнитный момент ?i подвергается противодействию
локальных микроскопических полей в отличие от ферро- и антиферромагнетиков.
В результате образуется магнитное состояние, в котором локализованные
магнитные моменты m испытывают сильные пространственные флуктуации.
Проекция mi отдельного иона на выбранное направление (средняя по времени)
имеет некоторое неравное нулю значение, как и в ферромагнетике, однако в
целом по образцу ситуация меняется кардинально.
[pic]
них существуют громадное число равновероятных метастабильных состояний,
переход между которыми приводит к термическому гистерезису намагниченности
и временнуй нестабильности магнитных свойств. В этих метастабильных
состояниях локальные распределения магнитных моментов ближайших ионов,
окружающих данный ион, могут различаться. Такие состояния называются фруст-
рированными.
АСПЕРОМАГНИТНАЯ СТРУКТУРА
В асперомагнетиках локализованные магнитные моменты ниже некоторой
температуры магнитного упорядочения Тасп ориентируются в различных атомных
позициях случайным образом, но с преимущественной ориентацией вдоль
некоторого направления. Средние значения проекций ?i на эту ось не равны
нулю, вследствие чего возникает спонтанная намагниченность.
Асперомагнетизм довольно часто встречается в аморфных материалах — сплавах
и соединениях 4f-и 3d-элементов. В ряде этих магнетиков флуктуации обменных
полей выражены менее резко, поэтому в асперомагнетиках имеется некоторое
преимущественное направление для магнитных моментов.
Асперомагнетизм встречается в аморфных сплавах типа Tb—Ag, Dy—Ni и др.
СПЕРИМАГНИТНАЯ СТРУКТУРА
При наличии флуктуаций обменных и магнито-кристаллических взаимодействий в
магнетике, состоящем из двух (или более) магнитных подсистем, связанных
между собой отрицательными обменными взаимодействиями, возможно образование
спе-римагнитной структуры. Она до некоторой степени похожа на
ферримагнитную структуру. В ней также магнитные моменты подрешеток (в
кристаллических материалах) или подсистем (в аморфных материалах)
направлены противоположно друг другу. Отличие заключается в том, что в
сперимагнетике магнитные моменты в одной или обеих подсистемах
ориентируются случайным образом в пределах
некоторого пространственного конуса (рис. 3, в). Такая ситуация возникает
как в кристаллических, так и в аморфных материалах, если ионы одного сорта
обладают сильной локальной одноионной анизотропией D, которая несколько
меньше интеграла А обменного взаимодействия между ионами из разных
магнитных подсистем (например, аморфные соединения Tb—Fe, Tb—Co).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленный материал дает только предварительные сведения о магнитных
структурах. Проблема магнитного упорядочения в твердых телах вряд ли будет
решена в ближайшие годы. Можно ожидать новых необычных явлений. Каждый год
обнаруживают новые магнетики, многие из которых имеют довольно сложные
магнитные структуры, предсказать которые из общих соображений иногда почти
невозможно. Это говорит о том, что в теории магнетизма еще многое предстоит
сделать, чтобы понять природу и многообразие магнитных структур в
конденсированных веществах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1984. 207 с.
2. Каганов М.И., Цукерник В.М. Природа магнетизма. М.: Наука, 1982. 192 с.
3. Белов К.П., Бочкарев Н.Г. Магнетизм на земле и в космосе. М.: Наука,
1983. 192 с.
4. Никитин С.А. Магнитные свойства редкоземельных металлов и их сплавов.
М.: МГУ, 1989. 248 с.
5. Херд К.М. Многообразие видов магнитного упорядочения в твердых телах
//Успехи физ. наук. 1984. Т. 142. № 2. С. 331-335.
6. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов.
М.: Металлургия, 1986.176 с.
7. Металлические стекла. Вып. 2 / Пер. под ред. Г. Бека, Г. Гюнтеродта. М.:
Мир, 1986. 456 с.
| |  скачать работу |
Магнитные структуры в кристаллических и аморфных веществах |
