Билет 1 Вопрос 2

Виды магнитного упорядочения

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Различаются пять основных типов магнитных свойств, которые ассоциируются с понятиями диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Установлено, что, помимо диамагнетизма заполненных электронных оболочек и диамагнетизма и парамагнетизма электронов проводимости, проявляются свойства, обусловленные наличием микроскопических магнитных моментов у некоторых или у всех атомов в твердом теле; различие в свойствах разных тел определяется расположением магнитных моментов внутри этих тел. Магнетизм в твердых телах был проблемой упорядочения магнитных моментов, пока рассматри­вались упорядоченные системы, содержащие одинаковые магнитные ионы, расположенные в эквивалентных атомных узлах правильной кристалличе­ской решетки.

Положение изменилось благодаря резкой акти­визации теоретических и экспериментальных исследований двух родствен­ных типов систем: аморфных твердых тел, в которых нет ни одной пары экви­валентных атомных позиций, и неупорядоченных твердых тел, в которых различные атомы беспорядочно занимают узлы правильной кристаллической решетки. Были обнаружены новые типы магнитного упорядочения, возникающие там, где нет никакого дальнего порядка, а также другие упорядочения, появляющиеся только в правильной кристаллической решетке. С этого момента предмет исследования усложнился и вместо пяти первона­чальных типов магнитных свойств включил в себя почти втрое большее число типов, причем пропорционально расширилась и соответствующая термино­логия. Было замечено, что магнетизм нуждается в систематизаторе, который мог бы толком разобраться с такими названиями как миктомагнетизм, метамагнетизм, асперомагнетизм, сперомагнетизм, сперимагнетизм, спиновое стекло, кластерное стекло и множеством других, находящихся в обращении в настоящее время. Ясно, что постороннего наблюдателя такая ситуация способна привести в замешательство.

Рис. 1. Четырнадцать типов магнетизма.

ПЯТЬ ОСНОВНЫХ ТИПОВ МАГНИТНОГО УПОРЯДОЧЕНИЯ

Диамагнетизм

Диамагне́тики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент I (а каждый моль вещества — суммарный магнитный момент), пропорциональный магнитной индукции H и направленный навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость χ = I/H у диамагнетиков всегда отрицательна. По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость χ мала и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.

Примеры: кремний, германий, вода.

Парамагнетизм

Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы  .

Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно.

К парамагнетикам относятся алюминий (Al), платина (Pt), многие другие металлы (щелочные и щелочно-земельные металлы, а также сплавы этих металлов), кислород (О₂), оксид азота (NO), оксид марганца (MnO), хлорное железо (FeCl₂) и др.

Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).

Ферромагнетизм

Ферромагнетики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое, при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Последние исследования в области физики показали, что некоторые ферромагнетики, при создании определенных условий, могут приобретать парамагнетические свойства при температурах, которые существенно выше точки Кюри. Поэтому ферромагнетики, наряду со многими другими магнетическими веществами, остаются, как оказалось, плохо изученными веществами до сих пор.

Свойства ферромагнетиков:

• Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
• При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
• Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса
• Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.

Антиферромагнетизм

Антиферромагнетик — вещество, в котором установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов.

Иными словами, простой антиферромагнетик можно представить себе как совокупность двух взаимопроникающих идентичных ферромагнитных кристаллический подрешеток, моменты которых расположены так, что спин иона одной из подрешеток антипараллелен спинам соседних ионов другой подрешетки.

Простой антиферромагнетизм может существовать только в кристаллической системе, так как разделить аморфное тело на две идентичные подрешетки невозможно.

Обычно вещество становится антиферромагнетиком ниже определённой температуры , так называемой точки Нееля и остаётся антиферромагнетиком вплоть до .

Антиферромагнетик — магнитные моменты вещества направлены противоположно и равны по силе.

Ферримагнетизм

Ферримагне́тики — материалы, у которых магнитные моменты атомов различных подрешёток ориентируются антипараллельно, как и в антиферромагнетиках, но моменты различных подрешёток не равны, и, тем самым, результирующий момент не равен нулю. Ферримагнетики характеризуются спонтанной намагниченностью. Различные подрешётки в них состоят из различных атомов или ионов, например, ими могут быть различные ионы железа, Fe²⁺ и Fe³⁺. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипараллельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно. В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла. Таким образом, ферримагнетики можно рассматривать как нескомпенсированные антиферромагнетики (у них магнитные моменты атомов не компенсированы). Свое название эти материалы получили от ферритов — первых некомпенсированных антиферромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно, и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода О^2-. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно усиливается по мере приближения промежуточного угла от 0° к 180°.

Ферримагнитное упорядочивание.

 

ДЕВЯТЬ ДРУГИХ ТИПОВ МАГНИТНОГО  УПОРЯДОЧЕНИЯ

Метамагнетизм

МЕТАМАГНЕ́ТИК - антиферромагнетик, у которого обменное взаимодействие внутри атомных слоев значительно больше, чем между слоями. В слабых магнитных полях обладает свойствами антиферромагнетиков, а в более сильных полях (выше 5-10 кЭ) — ферромагнетиков. К метамагнетикам относятся хлориды и бромиды элементов группы железа (FeBr₂, CoCl₂ и др.), некоторые соединения редкоземельных элементов (GdN, TbAs, DySb, Eu₃O₄ и др.).

Сперомагнетизм

Вещество, обладающее магнитным состоянием, в котором локализованные магнитные моменты заданного сорта обладают произвольными ориентациями и отсутствует как суммарная намагниченность, так и какая-либо регулярная картина локального упорядочения за пределами ближайших соседств, называется сперомагнетиком (в переводе с греческого означает «равно­вероятно рассеянный по всем направлениям»). Иными словами, если Р(φ) — вероятность того, что произвольный магнитный момент составляет с фикси­рованным направлением угол φ, то в сперомагнетике отношение Р(φ)/sin(φ) является постоянным sin(φ) пропорционален телесному углу, заключенному в пределах от φ до
φ + Δφ). Важно отличать эту магнитную структуру от парамагнитной, в которой направления магнитных моментов флуктуируют во времени непрерывно и случайным образом. В сперомаг­нетике ниже определенной температуры упо­рядочения, Т_уп, которая может выглядеть как точка резкого превращения (рис. 13), направления магнитных моментов «замора­живаются» и далее с течением времени не изменяются. Возникающее расположение магнитных моментов не является единствен­ным, а представляет собой одно из многих почти вырожденных основных состояний, ко­торыми обладает система; оно определяется локальным равновесием обменных взаимо­действий в каждой позиции, где располо­жен магнитный момент. (Не каждый магнит­ный момент обязательно заморожен, ибо си­лы, действующие на него в данной позиции, могут оказаться точно скомпенсированными; поэтому возможно существование так назы­ваемых «свободных моментов».)

Асперомагнетизм

Магнитное состояние, образующееся из хаотически размещенных в про­странстве локализованных магнитных моментов данного сорта, направления которых ниже некоторой температуры упорядочения Т_уп, зафиксированы так, что имеются преимущественные ориентации, более вероятные, чем осталь­ные, называется асперомагнитным. В этом состоянии существует спонтанная намагниченность. Асперомагнетизм отличается от сперомагнетизма тем, что отношение Р(φ)/sin(φ) зависит от φ.

Так как направление магнитного момента меняется от точки к точке не совсем случайным образом, существует вероятность локаль­ного упорядочения в ограниченных областях или доменах.

Асперомагнетизм довольно часто встречается в аморфных материалах - сплавах и соединениях 4f- и 3d-элементов.

Сперимагнетизм

Сперимагнитная структура 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. Сперимагнитная структура содержит ионы двух (или более) магнитных веществ, причем магнитные моменты, по крайней мере, одного из них замо­рожены со случайными ориентациями. Отличие от ферримагнетика 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).

Рис. Сперомагнитная (а), асперомагнитная (б) и сперимагнитная (в) структуры.

Гелимагнетизм

Магнитное состояние, возникающее в системе магнитных моментов, лока­лизованных в узлах кристаллической решетки, ниже некоторой температуры и обладающее при различных ориентациях отдельных моментов некоторым преимущественным направлением (осью), называется гелимагнитным. Это состояние есть ни что иное, как кристаллическая форма асперомагнетизма и его генетическими предшественниками являются сперо- и асперомагнетизм.

Типичным примером спиральной, или геликоидальной, структуры служит MnAu₂ (рис. 15), в котором преимущественная ориентация моментов систе­матически меняется от одной атомной плоскости кристал­ла к другой. Ионы Mn обладают магнитными моментами и образуют объемноцентрированную тетрагональную структуру. Их магнитные моменты параллельны в каж­дой плоскости, нормальной к оси с, но их направление поворачивается на угол порядка 50° при переходе от плос­кости к плоскости вдоль оси С. Более сложные формы гелимагнетизма встречаются в редкоземельных металлах, причем в них направления магнитных моментов вра­щаются при перемещении вдоль оси С по поверхности ко­нуса, а не в плоскости.

Кристаллические асперомагнетики другого класса включают в себя две (или более) антиферромагнитные подрешетки, магнитные моменты которых наклонены от­носительно друг друга на некоторый угол и, следователь­но, не совсем коллинеарны, т. е. создают суммарную намагниченность.

Спиновое стекло

Спиновые стёкла — разбавленные магнитные сплавы (например, CuMn, AgMn или AuFe), то есть немагнитные материалы с включением магнитных примесей с относительной концентрацией магнитных ионов от 10⁻³ до 10⁻¹. Между магнитными ионами существует дальнодействующее РККИ-обменное взаимодействие посредством электронов проводимости.

Кристаллический сплав, содержащий в себе магнитные ионы данного сорта, включенные в немагнитную матрицу, при охлаждении ниже критической температуры Т_уп может упорядочиваться сперомагнитно. Этот процесс называется «замораживанием спинового стекла». Хаотичность ориентации магнитных моментов напоминает хаотичность расположений составляющих обычного стекла; отсюда и название спиновое стекло.

Но выше температуры замораживания спинового стекла Тсс, в парамагнитном состоянии, моменты становятся свободными и могут совершать хаотические флуктуации (рис. 16).

Состояние спинового стекла в кристаллических сплавах существует только в ограниченной области концентраций растворяемого магнитного вещества. Концентрация должна быть достаточно высокой для того, чтобы возникла взаимосвязь между ионами посредством взаимодействия РККИ и в то же время достаточно низкой для того, чтобы избежать образования кластеров или цепочек непосредственно связанных друг с другом магнитных моментов, распространяющихся по всему образцу.

Спиновые стёкла рассматриваются как состояние магнитной системы с случайным распределением спин-спиновых взаимодействий. В системе отсутствует дальний порядок, причем беспорядок в системе замороженный, то есть не меняется со временем. Энергия обменного взаимодействия осциллирует, меняя знак, в зависимости от расстояния между атомами, поэтому в спиновых стёклах конкурируют ферромагнитные и антиферромагнитные взаимодействия, распределённые случайным (но постоянным во времени) образом благодаря случайному расположению магнитных атомов.

Спиновые стёкла отличаются от других магнетиков рядом свойств:

• зависимость магнитной восприимчивости от температуры претерпевает резкий излом при критическом значении температуры T_c, T_c возрастает с увеличением концентрации магнитных примесей и уменьшается с ростом частоты приложенного магнитного поля (снижение критической температуры наблюдается даже для очень медленного изменения магнитного поля, вплоть до минут). Само магнитное поле размывает излом. Такое поведение говорит о том, что равновесие в спиновых стёклах устанавливается медленно;
• спиновые стёкла демонстрируют магнитную вязкость, то есть зависимость магнитного момента от времени при температурах ниже T_c;
• магнитная часть теплоёмкости зависит от температуры линейно в области низких температур, а в точке T_c наблюдается плавный максимум теплоёмкости. Это говорит о сильной вырождённости основного состояния спиновых стёкол.

Миктомагнетизм

Миктомагнетик в общем сходен с идеальным спиновым стеклом, за исключением того, что в нем доминируют локаль­ные корреляции магнитных ионов (двойные, тройные и т. д.) ввиду повышен­ной концентрации магнитных примесей. Для отдельных материалов харак­терно то, что небольшие группы ионов связываются друг с другом прямым обменным взаимодействием и сосуществуют как отдельные образования, внедренные в матрицу спинового стекла (рис. 17). Моменты кластеров взаи­модействуют друг с другом косвенно посредством взаимодействия РККИ и кооперативно замораживаются ниже некоторой температуры T_зам как в сперомагнетике.

Замораживание моментов в миктомагнетике обусловлено термической блокировкой суперпарамагнитных моментов кластеров. Так как в миктомагнетике обычно наблюдается целый набор размеров класте­ров, можно ожидать, что существует также и соответствующий набор тем­ператур, при которых осуществляется блокировка магнитных моментов. Это делает процесс замораживания не столь резко выраженным, чем тот, который осуществляется в системе с кластерами одного размера. Другая характерная че­рта миктомагнетизма — зависимость на­магниченности σ от магнитной предыс­тории образца (см. рис. 17). Охлаж­дение образца ниже Т_зам в сравни­тельно слабых полях (~1 Тл) создает в конфигурации замороженных кластер­ных моментов некоторое преимуще­ственное направление. Такое асперомагнитное состояние (2 на рис. 17) обладает типичной смещенной петлей гистерезиса и повышенным значением σ ниже Т_зам, соответствующим «вмороженному» эффективному полю частично упорядоченных моментов.

 

Некоторые дополнительные понятия:

Ближний порядок — упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе, которая (в отличие от дальнего порядка) повторяется лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между атомами, то есть ближний порядок это наличие закономерности в расположении соседних атомов или молекул.

Ближним порядком в расположении атомов или молекул обладают, наряду с кристаллами, также аморфные тела и жидкости.

 

Дальний порядок — упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе (в жидком или твёрдом состоянии), которая (в отличие от ближнего порядка) повторяется на неограниченно больших расстояниях.

Дальним порядком в расположении атомов или молекул обладают, например, кристаллы.

 

Точка Нееля — антиферромагнитная точка Кюри, температура T_N, выше которой антиферромагнетик теряет свои специфические магнитные свойства и превращается в парамагнетик (фазовый переход II рода). Вблизи T_N достигают максимального значения аномалии немагнитных свойств антиферромагнетиков (теплоёмкости, коэффициент теплового расширения, температурного коэффициента электропроводности и т. д.). Названа по имени Луи Нееля.

 

Точка Кюри, или температура Кюри, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной — в ферромагнетиках, электрической — в сегнетоэлектриках, кристаллохимической — в упорядоченных сплавах). Названа по имени П. Кюри. При температуре T ниже точки Кюри Q ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри (T = Q) интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогично у антиферромагнетиков при T = Q (в так называемой антиферромагнитной точке Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешёток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками. В сегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках при T = Q тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решётки. В упорядоченных сплавах в точке Кюри (её называют в случае сплавов также точкой Курнакова) степень дальнего порядка в расположении атомов (ионов) компонентов сплава становится равной нулю.

Таким образом, во всех случаях фазовых переходов II рода (типа точки Кюри) при T = Q в веществе происходит исчезновение того или иного вида атомного «порядка» (упорядоченной ориентации магнитных или электрических моментов, дальнего порядка в распределении атомов по узлам кристаллической решётки в сплавах и т. п.). Вблизи точки Кюри в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоёмкости, магнитной восприимчивости и др.), достигающие максимума при T = Q, что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода.