Антиферомагнетизм
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Антиферомагнетизм

Антиферомагнетизм (від анти... і феромагнетизм ), один з магнітних станів речовини, що відрізняється тим, що елементарні (атомні) магнітики сусідніх часток речовини орієнтовані назустріч один одному (антіпараллельно), і тому намагніченість тіла в цілому дуже мала. Цим А. відрізняється від феромагнетизму, при якому однакова орієнтація елементарних магнітиків приводить до високої намагніченості тіла.

загрузка...

  До початку 30-х рр. 20 ст по магнітних властивостях всі речовини ділили на 3 групи: діамагнетіки, парамагнетики і феромагнетики . А. був відкритий при вивченні властивостей парамагнетиків при низьких температурах. Парамагнетики в магнітному полі намагнічуються так, що напрям намагніченості збігається з напрямом поля. Намагніченість I пропорційна напруженості Н магнітного поля: I = c Н . Коефіцієнт пропорційності з — магнітна сприйнятливість в парамагнетиків вельми малий — від 10 -5 до 10 -6 одиниць СГС. Для більшості парамагнетиків характерний певний вигляд залежності магнітної сприйнятливості від температури — вона зростає з пониженням температури обернено пропорційно до температури ( Кюрі закон, див.(дивися) мал.(малюнок) 1 , а). В кінці 20-х і початку 30-х рр. були виявлені з'єднання (оксиди і хлориди марганцю, заліза, кобальту, нікелю), що володіють абсолютно іншим виглядом температурної залежності магнітної сприйнятливості з( T ). На кривих, що характеризують залежність з від T в цих з'єднань, спостерігалися максимуми (см. мал.(малюнок) 1 , криві бв і бг). Крім того, нижче за температуру максимуму була виявлена сильна залежність з від орієнтації кристала в магнітному полі. Якщо поле направлене, наприклад, уздовж головної кристалографічної осі, то значення з уздовж цього напряму (його позначають c ïï ) убуває, прагнучи до 0 при Т ® 0 До. У напрямах, перпендикулярних цій осі, значення з (його позначають c ^ ) залишається постійним (не залежить від температури). На кривих, що показують температурну залежність питомої теплоємності цих речовин, при відповідних температурах також були виявлені гострі максимуми. Ці експериментальні факти вказували на якусь перебудову внутрішньої структури речовини при певній температурі.

  В 1930-х рр. радянський фізик Л. Д. Ландау і французький фізик Л. Нєєль пояснили вказані вище аномалії переходом парамагнетика в новий стан, названий антиферомагнітним. Суть цього переходу полягає в наступному. Парамагнетизм спостерігається в речовинах, що мають в своєму складі атоми (іони) з незаповненими внутрішніми електронними оболонками. Ці атоми (іони) володіють атомними магнітним моментом, і їх можна розглядати як елементарні магнітики. При високих температурах завдяки інтенсивному тепловому руху напрям цих магнітиків безперервний безладно міняється. Тому середнє за часом значення магнітного моменту  кожного магнітного іона в відсутність зовнішнього поля виявляється рівною нулю. Нижче за деяку температуру, що отримала назву температури Нєєля T n (їй відповідає максимум на кривій магнітній сприйнятливості), сили взаємодії між магнітними моментами сусідніх іонів виявляються сильнішими, ніж разупорядочивающєє дія теплового руху. В результаті середній магнітний момент кожного іона стає відмінним від нуля і набуває певного значення і напрям, в речовині виникає магнітне впорядкування. При А. впорядкування відрізняється тим, що середні магнітні моменти всіх (або більшій частині) найближчих сусідів будь-якого іона направлені назустріч його власному магнітному моменту (при феромагнетизмі вони всі направлені в один бік). Іншими словами, при А. однойменні полюси сусідніх елементарних магнітиків направлені взаємно протилежно. У кожному антиферомагнетику встановлюється певний порядок чергування магнітних моментів (приклади якого див.(дивися) на мал. 2 ). Порядок чергування магнітних моментів разом з їх напрямом відносно кристалографічних осей визначає антиферомагнітну структуру речовини. Таку структуру можна уявити собі як систему вставлених один в одного просторових грат магнітних іонів (називаються підгратками), у вузлах кожною з яких знаходяться паралельні один одному магнітні моменти. При А. у всі підгратки входять магнітні іони однакового сорту. Тому сумарні магнітні моменти підграток строго компенсуються, і антиферомагнетик в цілому у відсутність зовнішнього поля не має результуючого магнітного моменту. Під дією зовнішнього магнітного поля антиферомагнетики набувають слабкої намагніченості. Для магнітної сприйнятливості антиферомагнетиків типові значення 10 -4 — 10 -6 ед. СГС.

  Довгий час не існувало експериментальних методів, які могли б безпосередньо підтвердити існування антиферомагнітної структури. У 1949 було показано, що антиферомагнітну структуру можна виявити і вивчити методами нейтронографії . Нейтрони не мають електричного заряду, але володіють магнітним моментом. Пучок повільних нейтронів, що проходить через антиферомагнетик, взаємодіє з магнітними іонами речовини і випробовує розсіяння. Експериментально отримувана залежність числа розсіяних нейтронів від кута розсіяння дозволяє визначити розташування магнітних іонів в антиферомагнетику і середнє значення їх магнітних моментів.

  За створення антиферомагнітного порядку і певну орієнтацію магнітних моментів іонів відносно кристалографічних осей відповідальні два роди сил: за порядок — сили обмінної взаємодії (електричної природи), за орієнтацію — сили магнітної анізотропії. У А. обмінні сили прагнуть встановити кожну пару сусідніх магнітних моментів строго антіпараллельно. Але вони не можуть зумовити напрям моментів відносно кристалографічних осей. Цей напрям називається віссю легкого намагнічення і визначається силами магнітної анізотропії. Останні є результатом магнітної взаємодії сусідніх магнітних іонів і складніших взаємодій електронів магнітних іонів з електричними полями, що діють усередині кристала.

  Відповідно до цих двох типів сил при теоретичному описі А. вводять 2 ефективних магнітних поля: обмінне поле Н е і поле анізотропії Н а . Уявлення про те, що в антиферомагнетику діють 2 ефективних магнітних поля, дозволяє пояснити багато властивостей., зокрема їх поведінка в змінних зовнішніх магнітних полях. Перехід з парамагнітного стану в антиферомагнітне при температурі Нєєля T n відбувається дорогою ( фазового переходу 2-го роду. Особливість цього переходу полягає в плавному (без стрибка), але дуже крутому наростанні середнього значення магнітного моменту кожного іона поблизу T n ( мал. 3 ). Цим пояснюються вказані вище аномалії — зростання питомої теплоємності поблизу T n і подібне до нього температурна зміна коефіцієнта теплового розширення, модулів пружності і ряду ін. величин.

  Вивчення антиферомагнетиків внесло істотний вклад до розвитку сучасних уявлень про фізику магнітних явищ. Відкриті: нові типи магнітних структур — слабкий феромагнетизм, структури гелікоїдів і ін. (див. Магнітна структура ), виявлені нові явища: п'єзомагнетизм, магнетоелектрічеський ефект, розширені уявлення про обмінний і інших типах взаємодії в магнетиках. Практичного вживання А. поки не знайшов. Це пов'язано з тим, що при переході в антиферомагнітний стан велика частина макроскопічних фізичних властивостей міняється мало. Виняток становлять високочастотні властивості антиферомагнетиків. У багатьох антиферомагнетиках спостерігається сильне резонансне поглинання електромагнітного випромінювання для довжин хвиль від 1 см до 0,001 см (див. Антиферомагнітний резонанс ).

 

  Літ.: Киренський Л. Ст, Магнетизм, 2 видавництва, М., 1967; Боровік-романів А. С., Антиферомагнетизм, в збірці: Антиферомагнетизм і ферити, М., 1962 (Підсумки науки. Фіз.-мат. науки, т. 4); Рідкоземельні феромагнетики і антиферомагнетики, М., 1965.

  А. С. Боровік-романів.

Мал. 3. Температурна залежність середнього значення магнітного моменту  іона в кожному вузлі підгратки;  — власний магнітний момент іона.

Мал. 1. Температурна залежність магнітної сприйнятливості з: а — для парамагнетика, що не зазнає переходу у впорядкований стан аж до найнижчих температур (з = С/Т) ; би — для парамагнетика, перехідного в антиферомагнітний стан при Т = Tn ; у — для полікристалічного антиферомагнетика; г — для монокристалічного антиферомагнетика уздовж осі легкого намагнічення (c || ), д — для монокристалічного антиферомагнетика в напрямах перпендикулярних осі легкого намагнічення (c ^ ) .

Мал. 2. Магнітна структура: а — кубічного антиферомагнетика MNO (період магнітної структури а m в два рази більше періоду кристалічної структури a про ), би — антиферомагнетика тетрагона Mnf 2 . Вузли з однаковим напрямом магнітних моментів утворюють просторову магнітну підгратку.