Г.С. Кринчик - Физика магнитных явлений (1127398), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Слабый ферромагнетизм возможен лишь в антиферромагнитных структурах, которые являются четными относительно всех трансляций решетки, а также относительно центра симметрии, если таковой имеется в решетке. Отсюда, в частности, следует, что слабый ферромагнетизм невозможен в структурах, в которых магнитная элементарная ячейка не совпадает с кристаллографической, Для окончательного решения вопроса о существовании слабого ферромагнетизма необходимо рассмотреть преобразования поворота и отражения, Однако относительно последних элементов симметрии общих правил для всех антиферромагнитных кристаллов нет, и вопрос о наличии и конкретном виде инварнаптов (4.2.11) нужно рассматривать с учетом симметрии данного криста.тла. Подробно этот вопрос рассмотрен в книге Турова 181.
Инварианты второго порядка, приводящие к существованию слабого ферромагнетизма, делятся на две группы. Первые можно представить как проекцию векторного произведения намагниченностей подрешеток ~1~1,]. Для одноосных кристаллов, в частности гематита, существенна проекция только на ось»,, и соответствующий член энергии может быть записан в виде е»-= — ))п,!1, Ц. (4.2.12) 2б7 Г. с.
кр»»»»» Но =- 2Р 1е == —, Шв е н„ где лт,— спонтанный слабоферромагнитный момент, 1,— намагниченность подрешетки. Намагниченность слабого ферромагнетика в поперечном к 1. магнитном поле выражается следующим образом; (4.2.14) т=- т, +н1 Н~. (4.2.15) Эффективное обменное поле и поле анизотропии определяются через коэффициенты (4.2.2): Н.=-81;=. 7, (4.2.16) 1 На =- —. И 2/в Таблица 4.3 Параметры гематнта н нарбонаюв Мп, Со н дн х 1а— созм .1- моль и, кэ е„, .к и, ка Вещество 9200 320 160 240 а- гевОв МпСОв С СО Х1~ О, 22 4,4 27 90 1,5 43 52 23,8 950 32,5 18,1 25,2 В таблице 4.3 приведены экспериментальные значения этих эффективных полей д,тя гематита н карбонатов Мп, Со н Х!.
Остановимся коротко еще на одном важном классе слабых ферромагнетнков — ортоферрнтах, имеющих химическую формулу 258 Во вторую группу входят члены вида 1т 1;р (1' =- 1, 2; а, р =- х, у, г), например (4.2.13) Микроскопическая теория слабого ферромагнетнзма была построена Морня, Он показал, что инварианты вида (4.2.12) возникают в результате анизотропного косвенного обмена, а члены вида (4.2.13) обязаны своим появлением спин-орбитальному взаимодействию, приводящему к непараллельности осей кристаллической одноионной анизотропии в неэквивалентных узлах.
Поведение слабых ферромагнетиков во внешнем магнитном поле аналогично поведению обычных антиферромагнетиков. Нужно лишь учесть влияние эффективного внутреннего поля Дзялошннского, приводящего к неколлинеарности подрешеток. Поле Дзялошинского через коэффициент р в (4.2.2) и поперечную магнитну1о восприимчивость определяется следующим образом: КРеОа, где К вЂ” трехзарядный ион иттрия или редкоземельного эле. мента. Ортоферриты имеют искаженную перовскитную структуру с четырьмя ионами Реке в орторомбической элементарной ячейке (рис. 4.5). Все ионы Ре'+ размещаются практически в центрах октаэдров, образованных ионами О' . Редкоземельные ионы находятся в центрах «простых кубов>, образованных ионами Ре'+, и ° Я ©0 ОГе Рис, 4.5. Элемеитариая ячейка и магиитиая структура ортоферритои окружены, следовательно, двенадцатью ионами О', размещенными в центрах ребер этих кубов.
Редкоземельные ионы при комнатной температуре парамагнитны из-за слабого обменного поля, действующего на них со стороны железных подрешеток, поэтому в первом приближении их вкладом в намагниченность ортоферрита можно пренебречь. На рисунке 4.5 изображены ионы Рея+, входящие в элементарную ячейку ортоферрита, которые, строго говоря, образуют четыре подрешетки 1, 2, 3, 4 с двумя типами возможных ориентаций их намагниченности относительно кристаллографических осей, показанными на рис.
4.5 справа. Однако при рассмотрении образования слабого ферромагнитного момента можно объединить в одну подрешетку подрешетки 1 и 3, а во вторую — подрешетки 2 и 4. Тогда тип 1 соответствует двухподрешеточному слабому ферромагнетику 259 9я с легкой осью намагничивания а (Х), а тип 11 — с легкой осью с (2). Угол отклонения магнитных моментов подрешеток от «антиферроьчагнитной» ориентации составляет для всех ортоферрптов примерно 0,5', температуры Нееля заключены в интервале 670-~- ->50'К. Самариевый ортоферрит при комнатной температуре упорядочен по типу 1, остальные †типу 11. В интервале температур 400 †; 500' К в самарневом ортоферрите происходит фазовый пе- б 2б 7б бб бб Тбб ббб ббб Тба баб 'б Рис. 4.6.
Характеристики спинового упорядочения ортоферритов. 1 — 1 1к, 2 †. Е ! а, 3 — 1 ! у, 4 в точка компенсапни, б — упорядочивание й подрешеткн, б — спнновая переориентапня, 7 †момен ге и й параллельны, б — моменты ге и К антипараллельны реход типа перехода Морина в гематите — переориентация осн легкого намагничивания от оси а к оси с, т. е. переход от спинового упорядочивания типа 1 к типу!1. В области низких температур наступает магнитное упорядочивание редкоземельной подрешетки и в связи с этим наблюдается ряд особенностей — сложные магнитные структуры, точки компенсации слабых ферромагнитных моментов, переориентация спин- системы ортоферрнтов и т. д. Рис. 4.6 может дать представление о разнообразии свойств ортоферритов прн низких температурах. В настоящее время хорошо освоена техника выращивания крупных и бездефектных моиокристаллов ортоферритов, и они широко используются в физических исследованиях и практических приложениях.
Таким образом, мы рассмотрели одно нз наиболее интересных для физикп магнетизма своиств низкоснмметричных антнферромагнитных кристаллов — возможность возникновения спонтанного слабоферромагнитного момента. Наряду с этим углубление фи- 260 Се Рг 7Уб Р7л б пт Ео бст ТЬ ру бо Гг Тпт УЬ «1п,1п Я!~Я~Я~ - 1 ~ББ1)Б -2 :-б ::)С:. -9 -б 3ффф -б -7 О -8 зических представлений о данном классе явлений ~рпвело к оонаружению целого ряда новых физических эффектов, таких, как наМагнпчивание кристалла под влиянием упругих напряжений (пьезомагнетнзм), намагничивание кристалла в электрическом поле, электрическая поляризация кристалла в магнитном поле (магнитоэлектрическис эффекты) и др, Общий спмметрийный подход к подобного типа эффектам состоит в следующем.
Предположим, что мы имеем антиферромагнитный кристалл, симметрия которого не допускаст появления слабого фсрромагнетизма, например он имеет ось симметрии третьего или более высокого порядка. Но нпзкосимметричное внешнее воздействие может понизить симметрию кристалла настолько, что слабый ферромагнетизм окажется возможным. Если этим внешним воздействием будет растяжение кристалла, то мы получим эффект пьезомагнетизма.
Ввести в рассмотрение пьезомагнптные модули можно следующим образом. Термодинамический потенциал с учетом магнитоупругой энергии запишем в виде сп(Т, о, Н) -: Фр(Т, Н) — ~ЛцьаОНд. цэ Если магнитная симметрия кристалла такова, что некоторые магнитоупругие члены остаются ннвариантными по отношению к некоторой магнитной группе симметрии, то соответствующие Лцьчьб, н мы получаем для чьезомагнитного эффекта (4.2.18) Пьезомагнитный эффект был впервые обнаружен на фториде кобальта Сор~ Боровиком-Романовым 19~, причем Лох имеет порядок 1О з Гс смэ)кг.
Термодинамическим аналогом пьезомагнитному эффекту является эффект линейной магнитострикцпи антиферромагнитных крис~аллое. Дифференцируя (4.2,!7) по ац, находим выражение для тензора деформаций дФ е 17 и = Л,77ы и (4.2. 19) 26! т. е. линейную по полю и, следовательно, изменяющую знак при изменении знака поля магнитострикцию.
Линейная магнитострикция наблюдалась впервые Боровиком-Романовым и Явеловым !'!О~ также на Сорм и величина Лйх оказалась в соответствии с пеРвым определением порядка 1О ' Гс '. Наиболее интереснымн физическими эффектами симметрнйного происхождения в антиферромагннтных кристаллах являются магнитоэлектрические эффекты. Если симметрия кристалла допускает появление в термодинамическом потенциале членов типа Н;Еы где Еь — вектор напряженности электрического поля, то Ф=.= Фа — ~ ам Н»Е». (4.2.20) дифференцируя Ф по Н; и Е~о находим для намагниченности и электрической поляризации 1, =-. а,» Е», (4.2.21) Р» = а»» Нь (4,2,22) сг 70 т.
е, возможность намагничивания кристалла электрическим полем и обратный магнитоэлектрический эффект. В случае кристалла Сг»О» (рис, 4.4) термодинамический потенциал имеет вид О 1 7ОО тОО а, ат о 4« х Ф=Ф вЂ” — ЕН— — 4, (ЕхНк ' Е»Н») а„ (4.2.23) Рис, 4.7. Температурная зависимость модулей магиитоалектрического эффекта аХ и о» [2Ц и, следовательно, тензор магнитоэлектрических модулей аг» имеет точько диагональные члены а» и а1. Именно на кристалле Сг,О» магнитоэлектрический эффект был впервые обнаружен Астровым 1" 111. На рис. 4.7 приведена измеренная им температурная зависимость магнитоэлектрических модулей а;, и а1. 4 4.3. ФЕРРИТЫ-ШПИНЕЛИ Более сложным и наиболее представительным классом многоподрешеточных маппггных кристаллов при сравнении с антиферромагнетиками и слабыми ферромагнетиками являются ферримагнетики. По характеру взаимодействия, приводящего к магнитному упорядочению, они аналогичны антиферромагнетикам — отрицательное обменное взаимодействие приводит к антипараллельиой ориентации подрешеток.
По величине возникшего спонтанного магнитного момента они аналогичны ферромагнетикам — намагниченности подрешеток настолько отличаются друг от друга, что, вообще говоря, результирующий магнитный момент сопоставим по величине с магнитным моментом каждой из подрешеток. Поэтому наиболее емким определением ферримагнетика является термин «нескомпенсированный антиферромагнетикж Термин «ферримагнетизм» был предложен Неелем в связи с тем, что изучение нескомпенсированных антиферромагнетиков было начато после успешного синтезирования Снуком ферритов-шпи- целей различных составов [12]. На примере этих магнитных оксидных диэлектриков была доказана эффективность уменьшения потерь в радиочастотном н СВЧ-диапазонах благодаря увеличению их электросопротивления по сравнению с металлическими ферромагнетиками, что н привело в конечном счете к появлению целой промышленной области производства ферритов с самыми Рис 4,8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
