Магнитная симметрия
Магни́тная симме́три́я, симметрия кристаллов, учитывающая специфику их магнитных свойств. Понятие о магнитной симметрии было введено Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшицем в 1957 г. Необходимость его введения вызвана тем обстоятельством, что кристаллы, обладающие одинаковой пространственной симметрией, могут как обладать, так и не обладать магнитными свойствами. В первом случае говорят, что в кристалле имеется магнитная атомная структура. В магнитной симметрии учитывается симметрия уравнений движения по отношению к операции обращения времени , под действием которой координаты всех точек кристалла остаются неизменными, а скорости и направления спинов меняются на противоположные. Соответственно, под действием операции средняя по времени микроскопическая плотность заряда , описывающая электрическую структуру кристалла, не меняется, а микроскопическая средняя плотность магнитного момента меняет знак. Группой магнитной симметрии кристалла называется множество пространственных преобразований и комбинаций из пространственных преобразований и операций , оставляющих инвариантными функции и . Если представить операцию как замену чёрного цвета на белый, то группы магнитной симметрии совпадают с шубниковскими группами симметрии и антисимметрии.
Существуют три типа групп магнитной симметрии: серые, белые и чёрно-белые. Для кристаллов, не обладающих магнитной структурой (), группа магнитной симметрии содержит операцию и является прямым произведением пространственной группы на группу, состоящую из операции и тождественной операции: (серые группы). Белые группы вообще не содержат операцию и совпадают с фёдоровскими группами симметрии. Чёрно-белые группы содержат операцию только в комбинациях с пространственными преобразованиями , отличными от тождественного преобразования.
Всего имеется 1651 магнитная (шубниковская) пространственная группа, из них 230 серых, столько же белых и 1191 чёрно-белая. Для анализа макроскопических свойств достаточно ограничиться точечной симметрией (кристаллографическим классом). Число точечных групп магнитной симметрии (кристаллографических магнитных классов) составляет 122 (вместо 32 обычных кристаллографических), из них 32 серые – такими группами описываются парамагнетики и диамагнетики; 32 белые – такими группами могут, в частности, обладать антиферромагнетики с удвоенной магнитной ячейкой; 58 чёрно-белых, из которых 27 описывают антиферромагнетизм, остальные 31 допускают ферромагнетизм (включая ферримагнетизм и слабый ферромагнетизм антиферромагнетиков).
Среди макроскопических магнитных свойств особое место занимает намагниченность . Любой магнитный класс, допускающий намагниченность, есть подгруппа группы симметрии магнитного момента (обозначения по А. В. Шубникову), состоящей из оси бесконечного порядка (вдоль вектора ), перпендикулярной ей плоскости симметрии , а также бесконечного числа проходящих через ось антиплоскостей симметрии (т. е. плоскостей отражения с одновременным обращением времени) и перпендикулярных оси антиосей второго порядка .
Магнитное упорядочение возникает вследствие взаимодействий, зависящих от магнитного момента. Непосредственное взаимодействие магнитных моментов электронов оказывается слабым и при реальных температурах не способно вызвать упорядочение. Причиной магнитного упорядочения является обменное взаимодействие, зависящее от взаимной ориентации спинов (магнитных моментов) электронов и не зависящее от ориентации спинов относительно решётки. Поэтому, кроме приведённого точного описания магнитной симметрии, для классификации магнитных структур А. Ф. Андреевым и В. И. Марченко (1976) было введено понятие обменной симметрии. В ней, кроме обычных пространственных преобразований (группа симметрии плотности заряда) вводится отдельная группа вращений в спиновом пространстве. Группа обменной симметрии является прямым произведением групп и , т. е. . Классификация магнитных структур в обменной симметрии проводится перебором различных представлений фёдоровских групп (), из анализа которых делаются выводы о наличии ферромагнитной, антиферромагнитной или ферримагнитной структуры. Если представить различные значения спина различными цветами, то обменная симметрия сводится к цветной симметрии.
Знание магнитной симметрии важно при построении феноменологических теорий магнитоупорядоченных кристаллов со сложной магнитной структурой. На основе изучения магнитной симметрии антиферромагнетиков был предсказан ряд новых эффектов (пьезомагнетизм, магнитоэлектрический эффект и др.) и указаны классы веществ, в которых они должны наблюдаться.