Krinchik-GS-Fizika-magnitnyh-yavlenii (1239154), страница 48
Текст из файла (страница 48)
4.22, в льный гелпкоид р, в) — сочетание антиферромагнитного геликоида со стоячей продольной спинозой волной (рис. 4.22, б)). Я сно, что при усреднении магнитного момента по магнитному пе и ст кт пол чае ру ур у тся нуль. В общем случае периоды магнитной и кристаллографической структуры не совпадают„ причем период вращения проекции намагниченности на базисную плоскость и Вто о" период изменения проекций на выделенную ось также рой тип геликоидальной структуры характеризуется равномер- 282 мым вращением проекции намагниченности на базисную плоскость, а проекция намагниченности на выделенную ось остается постоянной (рис. 4.22, г).
На возможность существования геликоидальной структуры в МпАцт и МпО, было практически одновременно указано сразу тремя авторами 119], затем они были обнаружены нейтронографически, и к настоящему времени геликаидальные структуры найдены в самых различных классах магнетиков — ферритах-гранатах, фсрритах-шпииелях, гексаферритах, в металлическом хроме и, наконец, в чистых редкоземельных металлах.
Рассмотриы коротко магнитные свойства тяжелых редкоземельных металлов (подробнее см. 1201). Свойства монокрнсталлов 1)у, Но, Ег, ТЬ и Тц были изучены как с помощью магнитных измерений, так и методом дифракции нейтронов в широком температурном интервале. Магнитные исследования показали, что моно.крнсталлы указанных металлов при низких температурах обнаруживают ферромагнитные свойства (иногда это ферромагнитный теликоид), затем при температуре 9а претерпевают антнферромагнитное превращение геликоидального типа и выше некоторой температуры Оз переходят в парамагнитное состояние.
Для каждой Магнитные структуры тяжелых редиоземельных металлов Магнитика структуры и обаасти иа сущсстаоаакик ксачлинеарный ферромагнетик при Т(еа = 298'К Если !У!> 4 (4.6.3) то минимальной энергией обладает состояние Е Если (тт( =7~~4, то уравнение созссе=7,~4!т не имеет решения, и устойчивым становится состояние П с ас — — О. Таким образом, условие геликоидальности определяется выражением (4.6.3) . Из формулы 1 (4.6.2) следует, что изменение ае с температурой связано с зависимостью от температуры обменных интегралов 71 и 7».
Существование геликоидальных структур и, следовательно, большая абсолютная величина Ут в редкоземельных металлах указы- температуры из интервала 6, С Т< 54, существует критическое поле нш которое разрушает антиферромагнетизм. Табл. 4.5 описывает магнитное строение тяжелых редкоземельных металлов при раз- личных температурах. Названия различных структур в таблице со- ответствуют рис. 4.22, Интересно отметить, что угол геликоида ас, т. е.
угол межд) направлениями магнитных моментов в соседних слоях, вдоль вы- деленной оси кристалла монотонно увеличивается в интервале 6~< Т =М, у ()у, ТЬ и Но. В Ру, например, яе изменяется от 2б,б= при 91 до 43,2' при Вь С уществование простой гелпкоидальной структуры качественно можно объяснить тем, что обменное взаимодействие между атома- ми, находяшимися в ближайших плоскостях, положительно, а меж- ду атомами, находящимися в плоскостях, следующих за ближай- шими, отрицательно.
Абсолютная величина отрицательного взаимо- действия должна быть не слишком малой по сравнению с положи- тельным. Предположим также для простоты, что кристалл облада- ет выделенной осью, и одноосная кристаллическая анизотропия заставляет все спины лечь в базисную плоскость. Модификация анизотропных членов позволила бы ввести в рассмотрение сину- соидальную и циклоидальную структуры. Положительное обмен- ное взаимодействие между магнитными атомами внутри слоя прп- Т водит к параллельной ориентации всех атомных спинов в слое. огда обменное взаимодействие между слоями на единицу объема с учетом взаимодействия со вторымн соседями равно е„с„— — — Л~,эт (ев (1, соз а —,— тт соз 2а), (4.6.1) где У вЂ” число магнитных атомов в 1 смэ, 5 — спин атома, 7, и У, — обменные интегралы взаимодействия с 1-и и 2-и олижай- шими слоями соответственно, я — угол между спинами в соседних слоях.
Равновесный угол ае определится из условия минимума выражения (4.6.1) 1. соэпе -- — — ' (4.6.2) 47т П. 81пае — О. теблнна 4.6 Некоторые характеристики монохвлькогенихов евроиия ЕиХ (Х=О, $, 5е, Те) пете вез ено 6,60 7,8 — 11,0 7еее Пастоянная решетки, Л 7'т, ОК 7с К 1 т' гтв го Гс 5,96 5,14 6,19 4,6* 28*' 6,7 1210 7,7 16,5 6,87 1360 7,93 69,4 7,0 2130 7,81 971 7,54 И эоэ 1тэ Обменные интегРалы 7, К 10те, эрг 7 К 10м, эрг 0,04 0,16 — 0,23 7, ж,г, 0,28 0,08 — 0,19 0,81 — 0,93 0,097 283 вают на то, что в обменное взаимодействие между далекпмп соседямв основной вклад дает обмен через электроны проводимости, э 1О торый имеет дальиодействующий характер и зависит от расстояния между взаимодействующими центрами, как г (см.
6 2. ). Последовательная теория геликоидальных структур в редкоземельных металлах с учетом их реальной электронной структуры была построена Дзялошинским 1211. Показано, что периоды гелпкоидальных (синусоидальных) структур определяются взаимодействием электронов проводимости со спинами магнитных ионов (см также 9 2.10), причем эти периоды имеют порядок обратных экстремальных диаметров поверхности Ферми. Физически это происходит таким образом, что возникаюшая периодическая по спину структура еприближает» границы зоны Бриллюэна (найденные с учетом этой новой периодичности в кристалле) к размеру экстремального диаметра Ферми-поверхности, и это приблизительное равенство двух указанных характерных размеров соответствует мини у.
муму термодинамического потенциала системы. К сожалению, е не параметры Ферми-поверхностей редкоземельных металлов еще настолько хорошо изучены, чтобы проверить количественное соответствие теории Дзялошинского экспериментальным данным. Еше один широкий класс магнитных кристаллов можно с полным основанием отнести к магнетикам со сложной магнитной ст руктурой.
Речь пойдет о ферромагнитных полупроводниках, кост оторые хотя и не всегда обладают сложным подрешеточным с рением, но имеют особое магнитное, электрическое и оптическое поведение из-за сочетания в них типичных полупроводниковых свойств и магнитного упорядочения. Исторически первыми магнитными полупроводниками явились монохалькогениды европия ЕцХ, где Х вЂ” О, Я, Яе, Те, некоторые характеристики которых приведены в табл. 4.6. Все они кристаллизуются в кубической решетке типа )ч)аС1, причем магнитоактивный ион Ец'+ имеет основное состояние а5о1, без орбитального момента, поэтому монохалькогени- 10 и ды европия являются превосходными объектами для проверки теорий температурной зависимо- 701 / сти намагниченности, прямого обмена, косвенного обмена, прямого обмена через возбужденные состояния и т. д.
Чистые ЕиХ стехиометрического » 10 состава являются полупроводниками с высоким удельным сопротивлением — 10' — 10«о Ом см при комнатной температуре (энергия активации †— 2 эВ). Особенно богатый спектр электрических 10г и оптических свойств появляется у легированных образцов ЕцХ. Например, в системе Еи~-,й„5е сопротивление при комнатной теи- 1 пературе изменяется от еиезя аде зе езя ею 10 70 100 100 700 щ>0 10 з Ом ° ем до 10 — 4 1/Т, 10 огГ-г Ом см, т.
е. на 12 поряд- ков, при изменении х от рнс. 4.23. Температурная зависимость 0 до 1, причем изменение удельного злектросопротнвлення ферромагннтного полупроволннка Ен, везло.о че на 7 порядков проиСХО- нрн различных магнитных полях [ям4) днт вблизи х=0,01. 'На рис.
4.23 приведены кривые р(Т) 1221, показывающие температурный переход к металлическому характеру проводимости, а также аномально большое влияние магнитного поля на проводимость. Наложение поля 13,5 кЭ уменьшает сопротивление образца более чем на 5 порядков. Возрастание сопротивления при низких температурах и Н=О связывается с появлением геликоидального спинового упорядочения, которое можно разрушить магнитным полем и тем самым уменьшить сопротивление (пунктирные кривые).
Другим большим классом ферромагнитных полупроводников„ также обнаружившим ряд интересных физических свойств, являются халькогенидные шпинели Зс(-переходных металлов типа СдСг25ь Со)Сг25еь МпСг25о и т. д. В частности, как в халькогенидах европия, так и в халькогенидных шпинелях обнаружены эффекты смешения края собственного поглощения при изменении магнитного упорядочения как при изменении температуры, так и под влиянием поля. В шпинели НцСг25ь как и в Ец5е, обнаружено сочетание полупроводниковых свойств с геликоидальиым упорядочением. Некоторые из эффектов в ферромагнитных полупроводниках удается качественно объяснить на основе простых моделей, исходящих пз предположения об обменном расщеплении валентной зоны и зоны проводимости, изменении величины этого расщепления с температурой и перераспределении носителей между этими зонами и примесными уровнями.
Однако ряд особенностей ферромагнитных полупроводников остается пока неясным (см., например, (23)). В целом класс ферромагнитных полупроводников представляется весьма перспективным для многих физических и технических применений, таких, например, как магнитооптические явления, различные фотомагнитные эффекты, управляемый магнитным полем эффект Ганна, увлечение фононов и магнонов носителями тока и т. д.
В заключение этого параграфа рассмотрим еще один тип сложных спиновых структур в магнитоупорядоченных кристаллах, отличительная черта которых состоит в том, что они возникают не за счет внутренних взаимодействий в кристалле, а индуцируются сильным внешним магнитным полем. Тябликовым 1241 было показано, что при наложении на коллинеарный двух- или трехподрешеточный ферримагнетик достаточно сильного магнитного поля антипараллельная структура магнитных подрешеток становится неустойчивой, и возникает неколлинеарная угловая магнитная структура, в которой магнитные моменты подрешеток направлены под углами, отличными от 0 и п друг к другу и к внешнему магнитному полю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
