Borovik-ES-Eremenko-VV-Milner-AS-Lektsii-po-magnetizmu (1239152), страница 73
Текст из файла (страница 73)
20.4,а). Однако если он отрицателен, то минимуму энергии соответствует антипараллельная ориента- З т З б ция спинов ближайших соседей. Ес- ли имеет место антипараллельность, и б е а полный результирующий момент ратбт5 вен нулю, возникает антиферромагнитная структура (рис. 20.4, б). Эти два ж 'я о' типа магнитного упорядочения — ферромагнитный и антиферромагнитный— долгое время оставались единственно известными.
Новый тип магнитного упорядочения был теоретически 4) ь ~© б предсказан Неелем (217) для объясне- ния свойств ферритов со структурой ,р т шпинели и назван им ферримагнетиз- мом (рис. 20.4, в). Для трех упомянуР - - - тых структур характерно то, что все ~© магнитные моменты в кристалле направлены вдоль одной оси параллельно е Ж или антипараллельно друг другу.
Такие структуры называются коллинеарными. Яффе и Киттель [252) на примере ферритов-шпинелей впервые теоретически показали, что возможны неколлинеарные структуры. Подобная структура возникает, если учесть не только сильное антиферромагнитное взаимодействие между атомами в тетраэдрических (типа А) и октаэдрических (типа В) узлах, но и достаточно сильное антиферромагнитное взаимодействие друг с другом атомов в узлах типа В.Магнитные моменты атомов октаэдрических узлов разделяются на две подрешетки с неколлинеарной ориентацией из-за тенденции иметь антипараллельную ориентацию по отношению к обоим своим соседям как в узлах А, так и в узлах В.
В результате устанавливается треугольная конфигурация (рис. 20.4, г). Экспериментальные исследования в дальнейшем обнаружили компланарные много- угольные структуры, в которых магнитные моменты направлены вдоль нескольких кристаллографических осей, а также зонтичные структуры, в которых некомпланарные магнитные моменты ориентированы веером (рис. 20.4, е). 20. / Нейе/ронографикегкие исследования Неколлинеарные структуры имеют слабые ферромагнетики (аЕезОз, Гкк)Ез, МпСОз, СоСОз).
Они обладают небольшим спонтанным магнитным моментом (1О 2 —: 10 з СО$М на атом), обусловленным поворотом на малый угол друг относительно друга магнитных моментов подрешеток (103), Дзялошинский показал, что такое «сгибание» моментов подрешеток обусловлено анизотропными взаимодействиями атомов в кристалле при его определенной симметрии (115). В рассмотренных случаях магнитная структура может быть описана с помощью магнитной элементарной ячейки, периодическим повторением которой получается весь магнитный кристалл.
Магнитная ячейка не обязательно совпадает с кристаллохимической: она может в целое число раз быть больше нее. Магнитные атомы, связанные трансляциями на расстояния, кратные периоду магнитной решетки, имеют параллельную ориентацию спинов. Совокупность атомов с одинаковой ориентацией спинов называют магнитной подрешеткой. Число подрешеток не превышает числа магнитных атомов в элементарной ячейке. Среди магнетиков, однако, обнаружены такие, которые трудно описать элементарной магнитной ячейкой, но в которых все-таки имеется определенный закон распределения магнитных моментов.
Это винтовые или геликоидальные структуры (рис. 20.5). Для них характерно на- б б( правление в кристалле, вдоль которого ориентация спина при переходе 3 3 от одного атома к другому меняется на постоянный угол О по правилу винта, в то время как транс- 2 ляция на период кристаллической ! решетки вдоль других направлений оставляет направление спина прежи б в ним. Спиральной магнитной структурой обладают при низких темпе- Рис 20.5. Геликоидальные магнитные структуры: а) простая спиратурах многие редкоземельные мераль ($$); б) ферромагнитная спиталлы. Помимо Редкоземельных ме- ра ь (Р$); в) сложная спираль таллов, такие структуры были обна- (С$); г) статическая продольная ружены в сплаве МпАпз, двуокиси спиновая волна (Е$'и/) марганца (Мг/02), соединении Мп12 и т.д.
Если ось г принять за ось винта, то аналитически спиральная структура задается следующим образом: 51 4в 31 21 l~ 5'3 = 0; Нв = НсозО.; Яи = Нв)пО., где о'"'Р' — проекция спина атома 3-го узла; О, — угол, составляемый спином 3-го атома со спином, находя/цимся в начале координат. Описанную структуру называют простой спиралью ($$). Известна также Гз Е.С.
Боровик и др. 354 Гт 20. Стацаонарньт магнитные етрунтуры коническая (или ферромагнитная) спираль. Она отличается от 88 тем, что все ее спины имеют постоянную ненулевую проекцию на ось винта. Если эта проекция зависит от номера атома 1', то возникает сложная спираль (СБ). Наконец, частный случай СБ, когда перпендикулярные к оси геликоида компоненты спинов ориентированы хаотически или равны нулю, а составляющая вдоль оси - меняется гармонически, называют продольной статической спиновой волной (Е8%).
В чем же причина возникновения спиральных структурй В ряде работ [189, !90, 216) обсуждались причины возникновения простейшей спиральной структуры — антиферромагнитного геликоида. Большинство авторов объясняет возникновение геликоидальной конфигурации конкуренцией положительного обменного взаимодействия между ближайшими атомными соседями (А~) и отрицательного обменного взаимодействия между соседями, следующими за ближайшими (Ая). Под влиянием взаимодействия А| магнитные моменты атомов, расположенных в слое, параллельном базисной плоскости, упорядочиваются ферромагнитно. Однако благодаря сосуществованию положительного (А~) и отрицательного (Ая) обменных взаимодействий магнитные моменты в соседних плоскостях поворачиваются на угол О возникает геликоидальная антиферромагнитная структура. Несложно показать, что для устойчивости геликоидальной структуры необходимо выполнение следующего условия: А1/А4 < 4, где А1— обменный интеграл, описывающий взаимодействие между атомами, лежащими в соседних базисных плоскостях, а Аа — обменный интеграл, описывающий взаимодействие между атомами, лежащими в слоях, следующих за соседними.
Действительно, запишем энергию обменного взаимодействия, отнесенную к одному атому: Иг - = — Я~(А1 созО+ Аз соз20), где Я вЂ” спин атома; СОм — угол между магнитными моментами ближайших соседних слоев. Если устойчивость магнитной структуры определяется лишь конкуренцией обменных взаимодействий А1 и Аэ, то равновесное значение О определяется условием 01 „. д9 из которого следует А~ вш О + 2Аз зш 20 =- О. Отсюда для равновесного угла геликоида Оо получаем созОа = — А~/(4Аа), или А~/Аа < 4. При Ав < А1/4 взаимодействие с соседями, следующими за ближайшими, оказывается недостаточным для образования антиферромагнитной спирали и Оо = О, т.е.
в этом случае реализуется ферромагнитное упорядочение. Каплан показал (205), что в том случае, когда между атомами действуют только силы обменного типа, основным состоянием для плотно упакованной гексагональной решетки должно быть упорядочение типа «антиферромагнитный геликоидьн Для объяснения существования бо- 20.1 Нейнгронографические исследоеания 355 лее сложных спиральных структур достаточно предположить, что кроме обменных сил есть силы магнитной анизотропии, намного меньшие, чем силы обменного взаимодействия.
Своим происхождением энергия анизотропии может быть обязана спин †орбитально взаимодействию и электростатическому взаимодейгтвию между локальными магнитными электронами и остальным кристаллом (как в теории кристаллического поля Ван Флека). Интересная особенность такого рассмотрения состоит в том, что энергии магнитной анизотропии приходится конкурировать не с полной обменной энергией, а с существенно меньшей величиной. Так, для объяснения геликоидальной ферромагнитной структуры в эрбии оказалось достаточным предопложнть, что энергия анизотропии составляет 10ьь от обменной энергии. Несмотря на эти обнадеживающие результаты и хорошее согласие некоторых экспериментальных данных с существующими теориями геликоидальных структур, причины образования геликоидальной магнитной структуры и ее сложного поведения при изменении внешних условий (температуры, магнитного поля) пока нельзя считать окончательно выясненными.
Часто считают, что шаг винта в спиральных структурах несоразмерен с периодом кристаллической решетки. Иными словами, полагают, что угол между соседними спинами в геликоидальных структурах может быть любым, в том числе не кратным 2лп. Это означало бы, что гелнкоидальные структуры не имеют элементарной магнитной ячейки и не могут быть описаны с помощью магнитных подрешеток, так как их число должно быть неограниченным. Однако исследования Дзялошинского (115, 116] приводят к противоположному выводу.
В них показано, что существует несколько типов магнитных структур, различающихся по механизму образования и по своим физическим свойствам, в частности по зависимости их периода от температуры. К первому типу относятся структуры, у которых волновой вектор й = 2п/аь занимает исключительные высокосимметричные положения в обратной решетке парамагнитной фазы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
