Магнитные структуры в кристаллических и аморфных веществах
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