Магнитные структуры в кристаллических и аморфных веществах
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
где θр — парамагнитная точка Кюри, а C— постоянная Кюри—Вейсса. Как можно видеть на рис. 1, а, величина 1/χ для ферромагнетиков изменяется линейно с температурой. В изотропных однородных по составу ферромагнетиках с малой магнитной анизотропией ТC и θр имеют близкие значения. В анизотропных ферромагнетиках величина θр 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 μэф в ферромагнетиках с локализованными магнитными моментами:
где kБ — постоянная Больцмана. Для редких земель хорошо выполняется соотношение
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 χ 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, α-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