Ферримагнетизм

Ферримагнетизм, магнитное состояние вещества, при котором элементарные магнитные моменты, ионов, входящих в состав вещества (ферримагнетика), образуют две или большее число подсистем – магнитных подрешёток. Каждая из подрешёток содержит ионы одного сорта с одинаково ориентированными магнитными моментами. Магнитные моменты ионов разных подрешёток направлены навстречу друг другу или, в более общем случае, образуют сложную пространственную конфигурацию (например, треугольную). Часто число ионов в одной подрешётке в кратное число раз больше, чем в другой. Простейшая модель ферримагнитной упорядоченности показана на рис. 1. Самопроизвольная намагниченность J вещества в ферримагнитном состоянии равна векторной сумме намагниченностей всех подрешёток. Ф. можно рассматривать как наиболее общий случай магнитного упорядоченного состояния. С этой точки зрения ферромагнетизм есть частный случай Ф., когда в веществе имеется только одна подрешётка.

  Антиферромагнетизм есть частный случай Ф., когда все под решётки состоят из одинаковых магнитных ионов и J = 0. Термин «ферримагнетизм» был введён Л. Неелем (1948) и происходит от слова феррит – названия большого класса окислов переходных элементов, в которых это явление было впервые обнаружено.

  Необходимым условием существования Ф. является наличие в веществе положительных ионов (катионов) элементов с незаполненной (d- или f-) электронной оболочкой, обладающих собственным магнитным моментом. Между ионами различных подрешёток должно существовать отрицательное обменное взаимодействие, стремящееся установить их магнитные моменты антипараллельно. Как правило, это взаимодействие является косвенным обменным взаимодействием, т. е. осуществляется путём обмена электронами через промежуточный немагнитный анион (например, ион кислорода, рис. 2).

  При высоких температурах, когда энергия теплового движения много больше обменной энергии, вещество обладает парамагнитными свойствами (см. Парамагнетизм). Температурная зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков, в которых при низких температурах возникает Ф., обладает характерными особенностями, показанными на рис. 3. Обратная восприимчивость (1/c) таких веществ следует Кюри – Вейса закону с отрицательной константой Q = D при высоких температурах, а при понижении температуры круто спадает, стремясь к нулю при Т ® Q_с. В Кюри точке Q_с, когда энергия обменного взаимодействия становится равной энергии теплового движения в веществе, возникает ферримагнитная упорядоченность. В большинстве случаев переход в упорядоченное состояние является фазовым переходом 2-го рода и сопровождается характерными аномалиями теплоёмкости, линейного расширения, гальваномагнитных и др. свойств.

  Возникающая ферримагнитная упорядоченность моментов описывается определённой магнитной структурой, т. е. разбиением кристалла на магнитные подрешётки, величиной и направлением векторов их намагниченностей. Магнитная структура может быть определена методами дифракции нейтронов (см. Дифракция частиц). Образование той или иной магнитной структуры зависит от кристаллической структуры вещества и соотношения величин обменных взаимодействий между различными магнитными ионами. Обменное взаимодействие определяет только взаимную ориентацию намагниченностей подрешёток друг относительно друга. Другой их параметр – ориентация относительно осей кристалла – определяется энергией магнитной анизотропии, которая на несколько порядков меньше обменной энергии.

  Существование в ферримагнетике нескольких различных подрешёток приводит к более сложной температурной зависимости спонтанной намагниченности J, чем в обычном ферромагнетике. Это связано с тем, что температурные зависимости намагниченности каждой из подрешёток могут отличаться друг от друга (рис. 4). В результате спонтанная намагниченность, являющаяся в простейшем случае разностью намагниченностей подрешёток, с ростом температуры от абсолютного нуля может: 1) убывать монотонно (рис. 4, а), как в обычном ферромагнетике; 2) возрастать при низких температурах и в дальнейшем проходить через максимум (рис. 4, б); 3) обращаться в нуль при некоторой фиксированной температуре Q_к. температуру Q_к называют точкой компенсации, при Т > Q_к или Т < Q_к спонтанная намагниченность отлична от нуля.

  Впервые теоретическое описание свойств ферримагнетиков было дано Неелем (1948), который показал, что основные особенности поведения ферримагнетиков могут быть очень хорошо объяснены в рамках теории молекулярного поля. Ферримагнетики в не очень сильных магнитных полях (много меньше обменных) ведут себя так же, как ферромагнетики, т.к. такие магнитные поля не изменяют магнитной структуры. В отсутствии поля они разбиваются на домены, имеют характерную кривую намагничивания с насыщением и гистерезисом. В них наблюдается магнитострикция. В ферримагнетиках с неколлинеарными магнитными структурами при доступных значениях магнитного поля насыщения обычно не наблюдается. Особыми магнитными свойствами ферримагнетики обладают вблизи точки компенсации. Здесь даже слабые магнитные поля вызывают взаимный скос и опрокидывание подрешёток. Вдали от точки компенсации такие изменения магнитной структуры происходят в сильных (порядка обменных) магнитных полях. При определенных условиях в ферримагнетиках наблюдается резонансное поглощение электромагнитной энергии (ферримагнитный резонанс). Изучение Ф. развивалось очень бурно и далеко продвинуло физику магнитных явлений. Удалось создать теорию ферримагнетиков-диэлектриков (большинство ферримагнетиков является диэлектриками); многие магнитные диэлектрики стали широко применяться в радиотехнике, СВЧ(сверхвысокие частоты)-технике, вычислительной технике.

  Лит.: Смит Я., Вейн Х., Ферриты, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1962; Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетцки, М., 1965; Гуревич А. Г., Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках, М., 1973; Смоленский Г. А., Леманов В, В., Ферриты и их техническое применение, Л., 1975; см.(смотри) также лит.(литературный) при статьях Антиферромагнетизм, Ферромагнетизм.

  А. С. Боровик-Романов.

Рис. 4. Различные типы температурной зависимости намагниченности подрешёток M₁ и M₂ и спонтанной намагниченности J для ферримагнетика с двумя магнитными подрешётками.

Рис. 1. Схематическое изображение ферримагнитного упорядочения линейной цепочки магнитных ионов разных сортов с элементарными магнитными моментами m₁ и m₂. М1 =Nm₁ и М2 = Nm₂ — намагниченности 1-й и 2-й подрешёток (N — число ионов данного сорта в единице объёма). Суммарная намагниченность J = М₁ — М₂.

Рис. 3. Температурная зависимость обратной магнитной восприимчивости 1/c: 1 — парамагнетика с c = С/Т; 2 — ферромагнетика с c = С/(Т — Q); 3 — антиферромагнетика с c = С/(Т + Q); 4 — ферримагнетика.

Рис. 2. Типичное расположение ионов в ферримагнитном кристалле: С — немагнитный анион; А, B' и В" — магнитные катионы 1-й и 2-й подрешёток. Основное косвенное взаимодействие между А и B', В" — отрицательно. Взаимодействие B' — В" — мало.