МАГНИТОЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЙ ЭФФЕ́КТ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
МАГНИТОЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЙ ЭФФЕ́КТ, возникновение в диэлектрич. кристалле намагниченности $\boldsymbol m$, индуцированной электрич. полем напряжённостью $\boldsymbol E$, или электрич. поляризации $\boldsymbol p$, индуцированной магнитным полем напряжённостью $\boldsymbol H$. М. э. – результат взаимодействия двух подсистем ионного кристалла: электрической, состоящей из заряженных ионов, и магнитной – совокупности нескомпенсированных магнитных моментов ионов. Полное феноменологич. описание всех магнитоэлектрич. взаимодействий может быть выполнено на основе термодинамич. теории фазовых переходов 2-го рода. М. э. обычно наблюдается в антиферромагнитых кристаллах (см. Антиферромагнетизм), для которых термодинамич. потенциал $Φ$ есть функция векторов $\boldsymbol m$, $\boldsymbol p$ и вектора антиферромагнетизма $\boldsymbol l$. Для однодоменных кристаллов, т. е. таких, в которых каждый из векторов $\boldsymbol m, \boldsymbol l, \boldsymbol p$ имеет одинаковые модуль и ориентацию во всех элементарных ячейках кристалла, обусловливающая М. э. часть потенциала записывается в виде разложения по смешанным произведениям проекций этих векторов. Вид функций $\boldsymbol m(\boldsymbol E)$, $\boldsymbol p(\boldsymbol H)$ зависит от того, с какими членами в разложении $Φ$ они связаны. Члены, содержащие проекции $\boldsymbol l$, появляются только для кристаллов, обладающих магнитной структурой. М. э. возникает, если $\boldsymbol m(\boldsymbol E)$ и/или $\boldsymbol p(\boldsymbol H)$ не равны нулю, однако это имеет место далеко не для всех возможных магнитных структур.
Наиболее известен т. н. линейный М. э., возникающий в результате линейной связи $p_i = α_{ij}H_j, m_j = α_{ij}E_i$, где $α_{ij}$ – компоненты тензора М. э. В однодоменном кристалле направление $\boldsymbol l$ задано и взаимная ориентация как $\boldsymbol m(\boldsymbol E)$ и $\boldsymbol E$, так и $\boldsymbol p(\boldsymbol H)$ и $\boldsymbol H$ полностью определяется величинами $α_{ij}$. Изменение направления $\boldsymbol l$ на 180° соответствует др. магнитному домену, в котором при неизменных относительно кристалла направлениях $\boldsymbol E$ и $\boldsymbol H$ векторы $\boldsymbol m(\boldsymbol E)$ и $\boldsymbol p(\boldsymbol H)$ будут противоположно направлены. М. э. является единственным свойством антиферромагнитных кристаллов, чувствительным к доменной структуре.
Линейный М. э. обнаружен рос. физиком Д. Н. Астровым в 1960 в кристалле оксида хрома Cr2O3, элементарная ячейка которого показана на рис., а. Для оксида хрома $m_z = α_zE_z, p_z = α_zH_z, m_⊥ = α_⊥E_⊥, p_⊥= α_⊥H_⊥$, где $z$ – ось кристалла, а индексом $⊥$ обозначены величины в базисной плоскости. При переходе к др. домену (рис., б) изменяются знаки $α_z$ и $α_⊥$, однако указать, какому именно домену соответствует какой знак, невозможно. Коэффициенты $α$ зависят от темп-ры; макс. значение $α_z$ = 5·10–4. Известно неск. десятков антиферромагнетиков, в которых наблюдается линейный М. э. со значениями $α$, доходящими до 10–2 (TbPO4).
Поле $\boldsymbol E$, вызывающее намагничивание в результате М. э., может быть не только внешним. В кристаллах сегнетоэлектрич. борацитов M3В7О13X (M = Со, Ni, Fe, Mn; X = Cl, Br, I) наблюдается обусловленное М. э. спонтанное намагничивание, вызванное внутр. электрич. полем.
Нелинейный М. э. возникает при появлении в разложении членов, пропорциональных квадратам величин $m$, $p$ и $l$, которые приводят к квадратичным зависимостям по $H$ и $E$.
Термодинамич. теория, позволяющая найти вид потенциала $Φ$ для кристалла с известной симметрией, не даёт никаких сведений ни о значениях констант, описывающих М. э., ни о природе микроскопич. сил, ответственных за его проявление. При изучении механизма М. э. применяются модельные представления, а имеющаяся «микроскопическая» теория носит качественный характер; в ней считается, что причиной эффекта является изменение обменных взаимодействий в кристалле.
При наложении на кристалл достаточно больших полей $\boldsymbol E$ и $\boldsymbol H$ в нём возможны скачкообразные изменения $\boldsymbol m(\boldsymbol E)$ и $\boldsymbol p(\boldsymbol H)$, связанные с переходом от одного домена к другому. Так, в Ni–I-бораците при увеличении магнитного поля, направленного перпендикулярно вектору спонтанной намагниченности, происходит переброс этого вектора на 90° и вектора спонтанной поляризации на 180°.
Магнитоэлектрич. взаимодействия могут изменять поляризацию электромагнитных волн при их отражении или пропускании кристаллами, обладающими М. э., вызывать параметрич. возбуждение спиновых волн в сегнетомагнетиках под действием высокочастотного поля $\boldsymbol E$. Практич. применения М. э. (магнитная память, оптич. затворы, фазовращатели и т. п.) возможны, однако ни одно из подобных устройств на основе М. э. не было реализовано в связи с отсутствием монокристаллов высокого качества.