Магнитные структуры в кристаллических и аморфных веществах
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 2
НЕОБХОДИМЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ МАГНИТНЫХ СТРУКТУР В
ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ 2
ФЕРРОМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ 3
АНТИФЕРРОМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ 4
ФЕРРИМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ 5
СПИРАЛЬНЫЕ И ПЕРИОДИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ СТРУКТУРЫ 5
СПЕРОМАГНЕТИЗМ 6
АСПЕРОМАГНИТНАЯ СТРУКТУРА 6
СПЕРИМАГНИТНАЯ СТРУКТУРА 6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 7
ЛИТЕРАТУРА 7
ВВЕДЕНИЕ
Вплоть до первой половины нашего века развивались теоретические
представления о магнетизме и проводились экспериментальные исследования
магнитоупорядоченных веществ с коллинеарным расположением магнитных
моментов. К ним относятся прежде всего ферромагнетики с одинаковой
параллельной ориентацией магнитных моментов ниже температуры Кюри. Это
такие классические ферромагнетики, как железо, кобальт, никель и их
многочисленные сплавы, по которым и были выполнены основные исследования по
магнетизму. Затем было обнаружено, что наряду с коллинеарны-ми
ферромагнетиками существуют такие, где магнитные моменты подрешеток атомов
антипарал-лельны либо образуют небольшой угол. Важный прорыв в области
исследования магнитного упорядочения стал возможен после появления нейтроно-
графического метода. Благодаря тому что нейтрон обладает магнитным
моментом, дифракция нейтронов позволила по магнитным дифракционным
рефлексам идентифицировать сложные спиральные и периодические магнитные
структуры в магнитоупорядоченных веществах. В настоящее время исследуется
магнитное упорядочение различных сплавов, металлических и полупроводниковых
соединений, изоляторов, кристаллических и аморфных веществ. Для объяснения
необычных магнитных структур некоторых магнетиков необходимо дальнейшее
развитие теории магнетизма.
Новые магнитные материалы все шире внедряются в технику. Они обладают
рекордными магнитными параметрами или оптимальным сочетанием магнитных и
других физических характеристик. В то же время классические магнитные
материалы не могут обеспечить потребности быстро развивающейся техники. В
современной учебной литературе (школьных и вузовских учебниках и учебных
пособиях) рассматриваются в качестве сильномагнитных веществ только
ферромагнетики. Все это сужает представления о магнетизме.
НЕОБХОДИМЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ МАГНИТНЫХ СТРУКТУР В
ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
Магнитное упорядочение (упорядоченное пространственное расположение
магнитных моментов) наиболее изучено в твердых телах, обладающих дальним
порядком в расположении атомов и кристаллической решеткой, в узлах которой
периодически располагаются атомы с магнитными моментами. Физики и
материаловеды интенсивно изучают также физические (в том числе и магнитные)
свойства аморфных материалов, где существует только ближний порядок в
расположении атомов. К ним относятся, в частности, металлические сплавы,
получаемые быстрой закалкой из жидкого состояния (металлические стекла).
Аморфная структура этих материалов характеризуется неупорядоченным
расположением атомов, что приводит иногда к сильным изменениям их магнитных
и других физических свойств по сравнению с их кристаллическими аналогами. В
статье рассмотрены особенности магнитных свойств магнитоупорядоченных
веществ в связи с особенностями атомной структуры как кристаллических, так
и аморфных веществ.
Простейшая интерпретация физических механизмов, ответственных за
упорядоченное пространственное расположение магнитных атомных моментов в
твердых телах, основывается на следующих представлениях. Прежде всего надо
отметить, что необходимым условием такого упорядочения является наличие у
атомов собственных магнитных моментов, благодаря чему возможно образование
спонтанного магнитного момента даже при отсутствии магнитного поля. В
магнетиках, где существуют только магнитные моменты, локализованные на
атомах, магнитный момент образца M складывается из магнитных моментов
атомов mi (i — номер атома)
[pic]
где суммирование ведется по всем магнитным атомам. Намагниченность есть
магнитный момент единицы объема V
[pic]
Часто рассматривают удельную намагниченность а — магнитный момент на 1 г
вещества. Внешнее магнитное поле создает дополнительную намагниченность за
счет ориентации магнитных моментов и индуцирования диамагнитного момента.
Эта намагниченность складывается со спонтанной. Кроме того, магнитное поле
может деформировать и даже разрушать магнитную структуру.
В общем случае намагниченность образца не может быть получена как сумма
магнитных моментов изолированных и невзаимодействующих ионов, поскольку в
металлах и сплавах большую роль играет коллективизация электронов, которые
образуют магнитный момент электронной подсистемы. В кристаллических и
аморфных веществах сильное взаимодействие между электронами внешних (или
валентных) оболочек соседних атомов приводит к образованию энергетической
зоны делокализован-ных электронных состояний.
Величина намагниченности, измеренной при определенной температуре, зависит
не только от значений атомных магнитных моментов, но и от взаимодействий
между ними. Магнитного взаимодействия магнитных моментов недостаточно,
чтобы объяснить наблюдающиеся на опыте значения температур Кюри
ферромагнетиков. Теплового движения при температурах в десятые доли
Кельвина
уже достаточно, чтобы разрушить магнитное упорядочение за счет магнитного
взаимодействия.
Другое необходимое условие магнитного упорядочения заключается в наличии в
твердых телах обменного взаимодействия. Оно является частью
электростатического взаимодействия, зависящего от ориентации спинов
взаимодействующих электронов. Обменное взаимодействие возникает благодаря
квантовомеханическим эффектам и изменяется с расстоянием между магнитными
ионами. Взаимное геометрическое расположение ионов также оказывает влияние
на его величину.
ФЕРРОМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ
На первом этапе изучения магнитного упорядочения твердых тел физики имели
дело с ферромагнетизмом, который характеризуется параллельным
(коллинеарным) дальним порядком в расположении магнитных моментов в
системе. В ферромагнетиках обменное взаимодействие преодолевает
дезориентирующее действие теплового движения при Т < ТC и ориентирует
магнитные моменты параллельно. Некоторый разброс в ориентации магнитных
моментов вследствие теплового движения подавляется обменным взаимодействием
при Т —»- 0 К. В ферромагнетиках обменные интегралы положительны (Аij > 0)
и обменное взаимодействие преобладает над другими видами взаимодействий,
чувствительными к ориентации магнитных моментов. Наличие макроскопической
намагниченности образца сильно увеличивает магнитостатическую энергию. Ее
минимизация происходит тогда, когда образец разбивается на домены, внутри
которых есть спонтанная намагниченность вдоль оси легкого намагничивания,
которой является одна из кристаллических осей. Температурная зависимость
спонтанной намагниченности Is приведена на рис. 1, а. Видно, что величина
Is монотонно уменьшается с нагреванием и исчезает при Т > ТC. При Т > ТC
имеет место парамагнитное состояние с хаотической ориентацией магнитных
моментов при Н = 0, при Т< ТC возникает ферромагнитное состояние с
параллельной ориентацией магнитных моментов (рис. 1, б).
При увеличении магнитного поля Н намагниченность образца возрастает за счет
смещения границ доменов и процессов вращения спонтанной намагниченности.
Первый процесс связан с ростом объема доменов, у которых направление Is
ориентировано наиболее выгодно энергетически по отношению к полю (угол
между Is и H наименьший). Второй процесс — вращение — обусловлен поворотом
векторов Is от оси легкого намагничивания к направлению приложенного
магнитного поля.
В парамагнитной области при Т > ТС для магнитной восприимчивости %
выполняется закон Кюри—Вейсса
[pic]
[pic]
где ?р — парамагнитная точка Кюри, а C— постоянная Кюри—Вейсса. Как можно
видеть на рис. 1, а, величина 1/? для ферромагнетиков изменяется линейно с
температурой. В изотропных однородных по составу ферромагнетиках с малой
магнитной анизотропией ТC и ?р имеют близкие значения. В анизотропных
ферромагнетиках величина ?р принимает разные значения для оси легкого
намагничивания и оси трудного намагничивания, а также заметно отличается от
температуры Кюри ТC.
В ферромагнетиках, где магнитные моменты электронов локализованы на ионах
(например, неметаллические ферромагнетики, редкоземельные металлы иттриевой
подгруппы Gd, Tb, Dy), спонтанная намагниченность образца складывается из
магнитных моментов изолированных ионов. Постоянная Кюри—Вейсса связана с
эффективным магнитным моментом иона ?эф в ферромагнетиках с локализованными
магнитными моментами:
[pic]
где kБ — постоянная Больцмана. Для редких земель хорошо выполняется
соотношение
[pic]
АНТИФЕРРОМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ
В идеальном антиферромагнетике одинаковые магнитные ионы занимают в
кристаллической решетке кристаллографически эквивалентные позиции и
образуют две взаимопроникающие ферромагнитные подрешетки, магнитные моменты
которых ориентированы противоположно, в результате чего спонтанная
намагниченность образца отсутствует. Антиферромагнетизм — это также
кооперативное явление, которое характеризуется дальним порядком в системе
магнитных моментов. Каждый ион окружен ионами с магнитными моментами,
ориентированными противоположно его магнитному моменту. Это обусловлено
тем, что обменные интегралы Аij являются отрицательными (Аij < 0) и
превышают по абсолютной величине магнитокрис-таллические взаимодействия.
Магнитная восприимчивость ? антиферромагнетика имеет максимум при
температуре Нееля ТN. При Т > ТN тепловое движение разупорядочивает дальний
антиферромагнитный порядок и вещество становится парамагнетиком. Магнитная
восприимчивость при Т > ТN удовлетворяет закону Кюри—Вейсса с отрицательным
значением парамагнитной температуры Кюри 0р.
Наиболее простое магнитное поведение у антиферромагнитных окислов (МnО,
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.
