Антиферромагнетизм

Антиферромагнетизм (от анти... и ферромагнетизм), одно из магнитных состояний вещества, отличающееся тем, что элементарные (атомные) магнитики соседних частиц вещества ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом очень мала. Этим А. отличается от ферромагнетизма, при котором одинаковая ориентация элементарных магнитиков приводит к высокой намагниченности тела.

  До начала 30-х гг. 20 в. по магнитным свойствам все вещества делили на 3 группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. А. был открыт при изучении свойств парамагнетиков при низких температурах. Парамагнетики в магнитном поле намагничиваются так, что направление намагниченности совпадает с направлением поля. Намагниченность I пропорциональна напряжённости Н магнитного поля: I = cН. Коэффициент пропорциональности c — магнитная восприимчивость — у парамагнетиков весьма мал — от 10^-5 до 10^-6 единиц СГС. Для большинства парамагнетиков характерен определённый вид зависимости магнитной восприимчивости от температуры — она растет с понижением температуры обратно пропорционально температуре (Кюри закон, см.(смотри) рис.(рисунок) 1, а). В конце 20-х и начале 30-х гг. были обнаружены соединения (окислы и хлориды марганца, железа, кобальта, никеля), обладающие совершенно иным видом температурной зависимости магнитной восприимчивости c(T). На кривых, характеризующих зависимость c от T у этих соединений, наблюдались максимумы (см. рис.(рисунок) 1, кривые бв и бг). Кроме того, ниже температуры максимума была обнаружена сильная зависимость c от ориентации кристалла в магнитном поле. Если поле направлено, например, вдоль главной кристаллографической оси, то значение c вдоль этого направления (его обозначают c_ïï) убывает, стремясь к 0 при Т ® 0 К. В направлениях, перпендикулярных этой оси, значение c (его обозначают c_^) остаётся постоянным (не зависит от температуры). На кривых, показывающих температурную зависимость удельной теплоёмкости этих веществ, при соответствующих температурах также были обнаружены острые максимумы. Эти экспериментальные факты указывали на какую-то перестройку внутренней структуры вещества при определенной температуре.

  В 1930-х гг. советский физик Л. Д. Ландау и французский физик Л. Неель объяснили указанные выше аномалии переходом парамагнетика в новое состояние, названное антиферромагнитным. Сущность этого перехода состоит в следующем. Парамагнетизм наблюдается в веществах, имеющих в своём составе атомы (ионы) с незаполненными внутренними электронными оболочками. Эти атомы (ионы) обладают атомным магнитным моментом, и их можно рассматривать как элементарные магнитики. При высоких температурах благодаря интенсивному тепловому движению направление этих магнитиков непрерывно беспорядочно меняется. Поэтому среднее по времени значение магнитного момента  каждого магнитного иона в отсутствие внешнего поля оказывается равным нулю. Ниже некоторой температуры, получившей название температуры Нееля T_n (ей соответствует максимум на кривой магнитной восприимчивости), силы взаимодействия между магнитными моментами соседних ионов оказываются сильнее, чем разупорядочивающее действие теплового движения. В результате средний магнитный момент каждого иона становится отличным от нуля и принимает определённое значение и направление, в веществе возникает магнитное упорядочение. При А. упорядочение отличается тем, что средние магнитные моменты всех (или большей части) ближайших соседей любого иона направлены навстречу его собственному магнитному моменту (при ферромагнетизме они все направлены в одну сторону). Другими словами, при А. одноимённые полюсы соседних элементарных магнитиков направлены взаимно противоположно. В каждом антиферромагнетике устанавливается определённый порядок чередования магнитных моментов (примеры которого см.(смотри) на рис. 2). Порядок чередования магнитных моментов вместе с их направлением относительно кристаллографических осей определяет антиферромагнитную структуру вещества. Такую структуру можно представить себе как систему вставленных друг в друга пространственных решёток магнитных ионов (называются подрешётками), в узлах каждой из которых находятся параллельные друг другу магнитные моменты. При А. во все подрешётки входят магнитные ионы одинакового сорта. Поэтому суммарные магнитные моменты подрешёток строго компенсируются, и антиферромагнетик в целом в отсутствие внешнего поля не имеет результирующего магнитного момента. Под действием внешнего магнитного поля антиферромагнетики приобретают слабую намагниченность. Для магнитной восприимчивости антиферромагнетиков типичны значения 10^-4 — 10^-6 ед. СГС.

  Долгое время не существовало экспериментальных методов, которые могли бы непосредственно подтвердить существование антиферромагнитной структуры. В 1949 было показано, что антиферромагнитную структуру можно обнаружить и изучить методами нейтронографии. Нейтроны не имеют электрического заряда, но обладают магнитным моментом. Пучок медленных нейтронов, проходящий через антиферромагнетик, взаимодействует с магнитными ионами вещества и испытывает рассеяние. Экспериментально получаемая зависимость числа рассеянных нейтронов от угла рассеяния позволяет определить расположение магнитных ионов в антиферромагнетике и среднее значение их магнитных моментов.

  За создание антиферромагнитного порядка и определённую ориентацию магнитных моментов ионов относительно кристаллографических осей ответственны два рода сил: за порядок — силы обменного взаимодействия (электрической природы), за ориентацию — силы магнитной анизотропии. В А. обменные силы стремятся установить каждую пару соседних магнитных моментов строго антипараллельно. Но они не могут предопределить направление моментов относительно кристаллографических осей. Это направление называется осью лёгкого намагничивания и определяется силами магнитной анизотропии. Последние представляют собой результат магнитного взаимодействия соседних магнитных ионов и более сложных взаимодействий электронов магнитных ионов с действующими внутри кристалла электрическими полями.

  В соответствии с этими двумя типами сил при теоретическом описании А. вводят 2 эффективных магнитных поля: обменное поле Н_е и поле анизотропии Н_а. Представление о том, что в антиферромагнетике действуют 2 эффективных магнитных поля, позволяет объяснить многие свойства., в частности их поведение в переменных внешних магнитных полях. Переход из парамагнитного состояния в антиферромагнитное при температуре Нееля T_n происходит путём (фазового перехода 2-го рода. Особенность этого перехода состоит в плавном (без скачка), но очень крутом нарастании среднего значения магнитного момента каждого иона вблизи T_n (рис. 3). Этим объясняются указанные выше аномалии — возрастание удельной теплоёмкости вблизи T_n и подобное ему температурное изменение коэффициента теплового расширения, модулей упругости и ряда др. величин.

  Изучение антиферромагнетиков внесло существенный вклад в развитие современных представлений о физике магнитных явлений. Открыты: новые типы магнитных структур — слабый ферромагнетизм, геликоидальные структуры и др. (см. Магнитная структура), обнаружены новые явления: пьезомагнетизм, магнетоэлектрический эффект, расширены представления об обменном и других типах взаимодействия в магнетиках. Практического применения А. пока не нашёл. Это связано с тем, что при переходе в антиферромагнитное состояние большая часть макроскопических физических свойств меняется мало. Исключение составляют высокочастотные свойства антиферромагнетиков. Во многих антиферромагнетиках наблюдается сильное резонансное поглощение электромагнитного излучения для длин волн от 1 см до 0,001 см (см. Антиферромагнитный резонанс).

  Лит.: Киренский Л. В., Магнетизм, 2 изд., М., 1967; Боровик-Романов А. С., Антиферромагнетизм, в сборнике: Антиферромагнетизм и ферриты, М., 1962 (Итоги науки. Физ.-мат. науки, т. 4); Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики, М., 1965.

  А. С. Боровик-Романов.

Рис. 3. Температурная зависимость среднего значения магнитного момента  иона в каждом узле подрешётки;  — собственный магнитный момент иона.

Рис. 1. Температурная зависимость магнитной восприимчивости c: а — для парамагнетика, не претерпевающего перехода в упорядоченное состояние вплоть до самых низких температур (c = С/Т); б — для парамагнетика, переходящего в антиферромагнитное состояние при Т = Tn; в — для поликристаллического антиферромагнетика; г — для монокристаллического антиферромагнетика вдоль оси лёгкого намагничивания (c_||), д — для монокристаллического антиферромагнетика в направлениях, перпендикулярных оси лёгкого намагничивания (c_^).

Рис. 2. Магнитная структура: а — кубического антиферромагнетика MnO (период магнитной структуры а_m в два раза больше периода кристаллической структуры a_o), б — тетрагонального антиферромагнетика MnF₂. Узлы с одинаковым направлением магнитных моментов образуют пространственную магнитную подрешётку.