АНТИФЕРРОМАГНЕТИ́ЗМ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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).
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.
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: $$χ = C/(T-θ),$$
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.
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 магнитострикция, магнитоэлектрический 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.
-
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 – кристаллографическая и магнитная структуры фторидов переходных элементов (а, с – параметры решётки, d – расстояние между магнитными и ближайшими немагнитными ионами). Стрелками указаны направления магнитных моментов ионов. -
Рис. 2. Температурная зависимость магнитной восприимчивости легкоосного антиферромагнетика: χ|| и χ ̝ – восприимчивости в поле, параллельноми перпендикулярном оси антиферромагнетизма соответственно;TN – точка Нееля. -
Рис. 3. Зависимости намагниченности легкоосного антиферромагнетикаот напряжённости магнитного поля: поле приложено параллельно (а) и перпендикулярно (б) оси антиферромагнетизма. Стрелками указаны направления магнитных моментов подрешёток.
