Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

АНТИФЕРРОМАГНЕТИ́ЗМ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 2. Москва, 2005, стр. 59-61

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Р.З. Левитин

АНТИФЕРРОМАГНЕТИ́ЗМ (от ан­ти… и фер­ро­маг­не­тизм), од­но из маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ных со­стоя­ний твёр­до­го те­ла, в ко­то­ром маг­нит­ные мо­мен­ты со­сед­них ато­мов (ио­нов) вза­им­но ком­пен­си­ру­ются в пре­де­лах эле­мен­тар­ной ячей­ки (в про­стей­шем слу­чае ан­ти­па­рал­лель­ны), так что пол­ный маг­нит­ный мо­мент (на­маг­ни­чен­ность) те­ла бли­зок к ну­лю. Этим А. от­ли­ча­ет­ся от др. маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ных со­стоя­ний, в ко­то­рых маг­нит­ные мо­мен­ты отд. ато­мов (ио­нов) ли­бо па­рал­лель­ны (фер­ро­маг­не­тизм), ли­бо ан­ти­па­рал­лель­ны, но не ком­пен­си­ру­ют­ся пол­но­стью, что при­во­дит к до­ста­точ­но боль­шой на­маг­ни­чен­но­сти (фер­ри­маг­не­тизм).

Рис. 1. а – магнитная структура оксидов переходных элементов типа MnO (a – период кристаллографической ячейки, a m  – период ячейки магнитной структуры; показаны только магнитные ионы); б – кристалл...

Ве­ще­ст­ва, в ко­то­рых воз­ни­ка­ет ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние, на­зы­ва­ют­ся ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ка­ми. Сре­ди хи­мич. эле­мен­тов ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ка­ми яв­ля­ют­ся пе­ре­ход­ные ме­тал­лы груп­пы же­ле­за (мар­га­нец и хром), мн. ред­ко­земель­ные ме­тал­лы и ак­ти­нои­ды, а так­же $α$-мо­ди­фи­ка­ция твёр­до­го ки­сло­ро­да. Из­вест­но неск. тысяч ве­ществ, ко­то­рые яв­ля­ют­ся ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ка­ми, и их чис­ло по­сто­ян­но рас­тёт. Ан­ти­ферро­магнит­ное упо­ря­до­че­ние на­блю­да­ет­ся в спла­вах, не­ор­га­нич. и ор­га­нич. со­еди­не­ни­ях разл. сте­хио­мет­рии, в ди­элек­три­ках, по­лу­про­вод­ни­ках и ме­тал­лах.

Экс­пе­ри­мен­таль­но ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние бы­ло об­на­ру­же­но срав­ни­тель­но не­дав­но (1930-е гг.), хо­тя ги­по­те­за о его воз­мож­но­сти бы­ла вы­ска­зана П. Вей­сом в са­мом нач. 20 в. При изу­че­нии не­ко­то­рых ок­си­дов, хло­ри­дов, бро­ми­дов и т. п. пе­ре­ход­ных ме­тал­лов – мар­ган­ца, же­ле­за, ни­ке­ля, ко­баль­та – на тем­пе­ра­тур­ной за­ви­си­мо­сти их маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти был об­на­ру­жен мак­си­мум, не ха­рак­тер­ный для па­ра­маг­не­ти­ков, ко­то­ры­ми эти со­еди­не­ния то­гда счи­та­лись. В нач. 1930-х гг. Л. Не­ель и Л. Д. Лан­дау объ­яс­ни­ли эту ано­ма­лию пе­ре­хо­дом из па­ра­маг­нит­но­го в ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное со­стоя­ние и по­строи­ли пер­вые тео­рии ан­ти­фер­ро­маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния. Окон­ча­тель­но су­ще­ст­во­ва­ние ан­ти­фер­ро­маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния бы­ло экс­пе­ри­мен­таль­но под­твер­жде­но в 1949, ко­гда впер­вые ме­то­дом уп­ру­го­го рас­сея­ния мед­лен­ных ней­тро­нов на­блю­да­лось ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние в $\ce{MnO}$ и ок­си­дах пе­ре­ход­ных эле­мен­тов груп­пы же­ле­за при низ­ких темп-рах.

Ан­ти­фер­ро­маг­нит­ную струк­ту­ру мож­но пред­ста­вить как со­во­куп­ность не­сколь­ких (в про­стей­шем слу­чае двух) маг­нит­ных под­сис­тем – маг­нит­ных под­ре­шё­ток, встав­лен­ных друг в дру­га (рис. 1). В ка­ж­дой под­ре­шёт­ке маг­нит­ные мо­мен­ты ато­мов (ио­нов) па­рал­лель­ны друг дру­гу, а на­прав­ле­ния маг­нит­ных мо­мен­тов разл. под­ре­шё­ток ан­ти­па­рал­лель­ны. Та­кие струк­ту­ры на­зы­ва­ют­ся кол­ли­не­ар­ны­ми ан­ти­фер­ро­маг­нит­ны­ми струк­ту­ра­ми.

Ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те дей­ст­вия двух ти­пов сил. За вза­им­ную ори­ен­та­цию маг­нит­ных мо­мен­тов от­вет­ст­вен­но об­мен­ное взаи­мо­дей­ст­вие, имею­щее элек­трич. при­ро­ду. В ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ках это взаи­мо­дей­ст­вие ори­ен­ти­ру­ет маг­нит­ные мо­мен­ты бли­жай­ших со­сед­них ато­мов (ио­нов) ан­ти­па­ра­лель­но друг дру­гу, то­гда как маг­нит­ные мо­мен­ты бо­лее уда­лён­ных ато­мов (ио­нов) ори­ен­ти­ру­ют­ся па­рал­лель­но друг дру­гу. За ори­ен­та­цию маг­нит­ных мо­мен­тов от­но­си­тель­но кри­стал­ло­гра­фич. осей от­вет­ст­вен­ны си­лы маг­нит­ной ани­зо­тро­пии, обу­слов­лен­ные маг­нит­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем маг­нит­ных мо­мен­тов со­сед­них ато­мов (ио­нов), а так­же взаи­мо­дей­ст­вием элек­тро­нов этих ато­мов (ио­нов) с внут­рен­ни­ми элек­трич. по­ля­ми в твёр­дом те­ле.

Рис. 2. Температурная зависимость магнитной восприимчивости легкоосного антиферромагнетика: χ|| и χ ̝ – восприимчивости в поле, параллельноми перпендикулярном оси антиферромагнетизма соо...

Ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние осу­ще­ст­в­ля­ет­ся толь­ко при низ­ких тем­пературах. При по­вы­ше­нии темп-ры из-за ра­зу­по­ря­до­чи­ваю­ще­го дей­ст­вия те­п­ло­во­го дви­же­ния воз­ни­ка­ют флук­туа­ции ори­ен­та­ции маг­нит­ных мо­мен­тов ато­мов (ио­нов) ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ка и сред­ний маг­нит­ный мо­мент $<μ>$ ка­ж­до­го маг­нит­но­го ато­ма (ио­на) умень­ша­ет­ся. При не­ко­то­рой темп-ре (т. н. Не­еля точ­ке $T_{\text N}$) $<μ>$ ста­но­вит­ся рав­ным ну­лю и ан­ти­фер­ро­маг­нит­ный по­ря­док пол­но­стью раз­ру­ша­ет­ся: ан­ти­фер­ро­маг­не­тик пе­ре­хо­дит в па­ра­маг­нит­ное со­стоя­ние. При темп-ре $T_{\text N}$ энер­гия те­п­ло­во­го дви­же­ния рав­на энер­гии об­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия, по­это­му ве­ли­чи­на $T_{\text N}$ тем боль­ше, чем боль­ше энер­гия об­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия. Экс­пе­рим. и тео­ре­тич. ис­сле­до­ва­ния по­ка­за­ли, что умень­ше­ние $<μ>$ до ну­ля при по­вы­ше­нии темп-ры до $T_{\text N}$ в боль­шин­ст­ве ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ков про­ис­хо­дит плав­но, без скач­ка, и пе­ре­ход из ан­ти­фер­ро­маг­нит­но­го в па­ра­магнит­ное со­стоя­ние яв­ля­ет­ся фа­зо­вым пе­ре­хо­дом II ро­да. Су­ще­ст­ву­ют так­же ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ки, в ко­то­рых при по­ни­же­нии темп-ры про­ис­хо­дит фа­зо­вый пе­ре­ход в др. маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ные со­стоя­ния – фер­ро­маг­нит­ное или фер­ри­маг­нит­ное. Вбли­зи $T_{\text N}$ на­блю­да­ет­ся ано­маль­ное по­ве­де­ние те­п­ло­ём­ко­сти, те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния и мо­ду­лей уп­ру­го­сти ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ков.

Пе­ре­ход А. – па­ра­маг­не­тизм со­про­во­ж­да­ет­ся ано­ма­лия­ми на тем­пе­ра­тур­ной за­ви­си­мо­сти маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти (рис. 2). Вы­ше $T_{\text N}$ маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость $χ$ под­чи­ня­ет­ся Кю­ри – Вей­са за­ко­ну: $$χ = C/(T-θ),$$

χ=C/(Tθ),

где $C$ – по­сто­ян­ная ве­ли­чи­на, $T$ – темп-ра, $θ$ – па­ра­маг­нит­ная темп-ра Кю­ри. Для боль­шин­ст­ва ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ков $θ<0$. Ни­же $T_{\text N}$ воз­ни­ка­ет анизотро­пия маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти. Так, вос­при­им­чи­вость $χ_{||}$ в по­ле, ори­ен­ти­ро­ван­ном кол­ли­не­ар­но на­прав­ле­нию маг­нит­ных мо­мен­тов (это на­прав­ле­ние на­зы­ва­ет­ся осью ан­ти­фер­ро­маг­не­тиз­ма), умень­ша­ет­ся до ну­ля при по­ни­же­нии темп-ры до 0 К, а вос­при­им­чи­вость $χ$ ̝в по­ле, пер­пен­ди­ку­ляр­ном на­прав­ле­нию оси ан­ти­фер­ро­маг­не­тиз­ма, не за­ви­сит от темп-ры.

 

 

Рис. 3. Зависимости намагниченности легкоосного антиферромагнетикаот напряжённости магнитного поля: поле приложено параллельно (а) и перпендикулярно (б) оси антиферромагнетизма. Стрелками указаны напр...

В дос­та­точ­но силь­ных маг­нит­ных по­лях ан­ти­фер­ро­маг­нит­ное упо­ря­до­че­ние раз­ру­ша­ет­ся, т. к. по­ле стре­мит­ся ори­ен­ти­ро­вать маг­нит­ные мо­мен­ты под­ре­шё­ток па­рал­лель­но. За­ви­си­мость на­маг­ни­чен­но­сти ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ка от по­ля оп­ре­де­ля­ет­ся ти­пом ан­ти­фер­ро­маг­нит­ной струк­ту­ры и ори­ен­та­ци­ей по­ля от­но­си­тель­но кри­стал­ло­гра­фич. осей. Напр., для од­но­ос­но­го ан­ти­фер­ро­маг­нети­ка с маг­нит­ной ани­зо­тро­пи­ей ти­па лёг­кая ось (ось А. па­рал­лель­на оси кри­стал­ла) на­блю­да­ют­ся кри­вые на­маг­ни­чи­ва­ния, по­ка­зан­ные на рис. 3. Ес­ли по­ле ори­ен­ти­ро­ва­но па­рал­лель­но оси А., то при его воз­рас­та­нии ан­ти­фер­ро­маг­нит­ная фа­за с кол­ли­не­ар­ной маг­нит­ной струк­ту­рой при дос­ти­же­нии кри­тич. по­ля скач­ком пе­ре­хо­дит в фа­зу со ско­шен­ной ан­ти­фер­ро­маг­нит­ной струк­ту­рой. При даль­ней­шем уве­ли­че­нии по­ля угол ско­са воз­рас­та­ет и в по­ле маг­нит­ные мо­мен­ты под­ре­шё­ток ус­та­нав­ли­ва­ют­ся па­рал­лель­но друг дру­гу: ан­ти­фер­ро­маг­не­тик пе­ре­хо­дит в фер­ро­маг­нит­ное со­стоя­ние (рис. 3, а). Ес­ли по­ле ори­ен­ти­ро­ва­но пер­пен­ди­ку­ляр­но оси А., ско­шен­ная ан­ти­фер­ро­маг­нит­ная фа­за воз­ни­ка­ет уже в сла­бых маг­нит­ных по­лях, а при даль­ней­шем воз­рас­та­нии маг­нит­но­го по­ля про­ис­хо­дит пе­ре­ход из этой фа­зы в фер­ро­маг­нит­ное со­стоя­ние (рис. 3, б).

Та­кое по­ве­де­ние од­но­ос­но­го ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ка в маг­нит­ном по­ле осу­ще­ст­в­ля­ет­ся толь­ко в том слу­чае, ес­ли энер­гия маг­нит­ной ани­зо­тро­пии зна­чи­тель­но мень­ше энер­гии об­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия. В ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ках с боль­шой маг­нит­ной ани­зо­тро­пи­ей воз­ник­нове­ние ско­шен­ной маг­нит­ной фа­зы в по­ле, па­рал­лель­ном оси А., ста­но­вит­ся энер­ге­ти­че­ски не­вы­год­ным и пе­ре­ход в фер­ро­маг­нит­ную фа­зу про­ис­хо­дит не­по­сред­ст­вен­но из кол­ли­не­ар­ной ан­ти­фер­ро­маг­нит­ной фа­зы. Та­кие ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ки по­лу­чи­ли на­зва­ние ме­та­маг­не­ти­ков.

Кро­ме кол­ли­не­ар­ных ан­ти­фер­ро­маг­нит­ных струк­тур, из­вест­ны и бо­лее слож­ные – не­кол­ли­не­ар­ные ан­ти­фер­ро­маг­нит­ные струк­ту­ры (см. Маг­нит­ная струк­ту­ра атом­ная, Сла­бый фер­ро­маг­не­тизм, Ге­ли­ко­маг­не­тик). За­мет­ные раз­ли­чия об­на­ру­жи­ва­ют­ся в по­ве­де­нии низ­ко­раз­мер­ных маг­нит­ных струк­тур с ан­ти­фер­ро­маг­нит­ным об­мен­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем.

Воз­ник­но­ве­ние ан­ти­фер­ро­маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния при­во­дит к ря­ду яв­ле­ний, ха­рак­тер­ных толь­ко для не­го. К ним от­но­сят­ся пье­зо­маг­не­тизм, ли­ней­ная маг­ни­то­ст­рик­циямагнитоэлектрический эффект и не­ко­то­рые оп­тич. и маг­ни­то­оп­тич. яв­ле­ния. Изу­че­ние А. вне­сло су­ще­ст­вен­ный вклад в раз­ви­тие фи­зи­ки маг­нит­ных яв­ле­ний, фи­зи­ки фа­зо­вых пе­ре­хо­дов и др. фун­дам. про­блем.

Тех­нич. при­ме­не­ние ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ков срав­ни­тель­но не­ве­ли­ко, хо­тя в по­след­ние го­ды оно зна­чи­тель­но рас­ши­ри­лось; напр., ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ки со сла­бым фер­ро­маг­не­тиз­мом при­ме­ня­ют­ся в тех­ни­ке, гл. обр. в СВЧ-уст­рой­ст­вах, а так­же ис­поль­зу­ют­ся для за­пи­си ин­фор­ма­ции.

Лит.: Бе­лов К. П. Ред­ко­зе­мель­ные маг­не­ти­ки и их при­ме­не­ние. М., 1980; Ти­кад­зу­ми С. Фи­зи­ка фер­ро­маг­не­тиз­ма. М., 1983; Вон­сов­ский С. В. Маг­не­тизм. М., 1984; Кар­лин Р. Маг­не­то­хи­мия. М., 1989.

Вернуться к началу