Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

НЕОБХОДИМЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ МАГНИТНЫХ СТРУКТУР В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

ФЕРРОМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ

АНТИФЕРРОМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ

ФЕРРИМАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ

СПИРАЛЬНЫЕ И ПЕРИОДИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ СТРУКТУРЫ

СПЕРОМАГНЕТИЗМ

АСПЕРОМАГНИТНАЯ СТРУКТУРА

СПЕРИМАГНИТНАЯ СТРУКТУРА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

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)

где суммирование ведется по всем магнитным ато­мам. Намагниченность есть магнитный момент единицы объема V

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).