Штехин И.Е., Солдатов А.В., Яловега Г.Э. Магнитные свойства твердых тел

Подождите немного. Документ загружается.

ферромагнетиках, в которых спины электронов на соседних атомах параллельны

это невозможно, так как по принципу Паули, такие электроны не могут

сблизиться. Совсем другая ситуация будет, если они антипараллельны, теперь

запрет Паули не действует.

В антиферромагнетиках у соседних электронов спины направлены

противоположно. Можно сказать, что антиферромагнетик - это два

ферромагнетика с противоположными спинами

, вставленные в одну

кристаллическую решетку. Суммарный магнитный момент таких веществ будет

нулевым.

К числу антиферромагнетиков относится, например, оксид марганца (рис.

9.17) атомы кислорода на рисунке не изображены. Здесь две подрешетки атомов

Mn имеют противоположные направления спинов электрона и компенсируют

магнитный момент друг друга.

Рисунок 9.17 - Модель ориентации спиновых моментов MnO

В сплаве MeO⋅Fe

, (Me=Ni, Fe) локальный момент двух подрешеток не

одинаковый, поэтому полной компенсации магнитного момента не будет. Такие

вещества называются ферритами или ферримагнетиками. По своим магнитным

свойствам ферриты напоминают ферромагнетики, но, как правило, они являются

диэлектриками, в то время как ферромагнетики - металлы. Поэтому в ферритах

при помещении в высокочастотное электромагнитное поле не возникает вихревых

токов (токов Фуко) и не возникает препятствий для проникновения в них самого

магнитного поля и токовые потери малы. Исходя из этого, ферриты могут

использоваться в качестве сердечников катушек индуктивности, трансформаторов

и прочих высокочастотных устройств.

Подводя итог, описанным выше ферромагнетикам, для наглядности

представления о процессах лежащих в основе упорядочения приведем

схематическое изображение

всех трех типов веществ (рис. 9.18).

Рисунок 9.18 - Модельное представление различных типов магнетиков

6 Зависимость магнитных свойств от температуры

Из-за различий в упорядочении магнитных моментов атомов зависимости

магнитных свойств ферромагнетика, антиферромагнетика и ферримагнетика от

температуры существенно отличаются. Для каждого ферромагнетика существует

определенная температура (точка Кюри), выше которой он теряет свои

ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком (рис. 9.19).

В этой точке

энергия теплового движения разрушает упорядоченное расположение спиновых

(магнитных) моментов электронов и основа возникновения ферромагнетизма

теряется.

Рассмотрим случай ферримагнетика, состоящего из двух подрешеток. В нем

зависимость от температуры имеет вид, приведенный на рис. (9.19).

Рисунок 9.19 - Температурная фазовая диаграмма ферромагнетика.

Изображены парамагнитная и ферромагнитная фазы

б)

Рисунок 9.20 - Температурные фазовые диаграммы ферримагнетиков

Пунктиром показаны кривые намагниченности отдельных подрешеток

),и сплошной линией – суммарная намагниченность. В случае, если обе

подрешетки теряют магнитный момент при одной температуре, которая носит

название температуры Нееля, фазовая кривая приведенная на рисунке (9.20 (а))

имеет вид напоминающий аналогичную кривую для ферромагнетика (сравните

рисунок 9.19). Однако, если подрешетки теряют магнитное упорядочение при

разных температурах, то фазовая диаграмма приобретает более сложный вид,

показанный на рисунке. (9.20 (б)). На кривой возникает точка

компенсации

(обозначенная Т

), в которой суммарная намагниченность решеток становится

равной нулю за счет компенсации вкладов подрешеток. Чтобы пояснить

зависимость суммарной намагниченности, которая представляется обычно в виде

скалярной величины M

=| M

|, на рисунках показаны векторные величины

намагниченностей отдельно для двух подрешеток (M

Для ферромагнетиков в отличие от парамагнетиков и диамагнетиков

характерна нелинейная зависимость вектора магнитной индукции B и

намагниченности I от напряженности магнитного поля Н. Полный цикл

перемагничивания ферромагнетика описывается петлей гистерезиса, приведенной

на рисунке 9.21. Как известно из курса общей физики намагничивание в

ферромагнетике достигает насыщения, в дальнейшем при размагничивании

вследствие того, что в

ферромагнетике происходит необратимое смещение границ

доменов, при H=0 сохранится некоторая намагниченность, получившая название

остаточной намагниченности I

. Для достижения нулевой намагниченности

требуется приложить размагничивающее поле H

, называемое коэрцитивной

силой. Если коэрцитивная сила (она пропорциональна ширине кривой

гистерезиса) мала, то материал магнитомягкий, если большая - магнитожесткий

(рис. 9.21) магнитомягкие материалы используют в сердечниках

трансформаторов, в то время как магнитожесткие в постоянных магнитах.

М-мягкий М-жесткий

Рисунок 9.21 - Сопоставление кривых гистерезиса магнитомягкого и

магнитожесткого материалов

7 Спиновые волны

В ферромагнетиках при Т=0 все спины упорядочены и система стационарна.

При нагревании Т>0 начинаются спонтанные перевороты, то есть система

возбуждена и не стационарна.

Обычно происходит не полный переворот полного спинового момента

атома, а некоторое отклонение от оси преимущественной ориентации. Пример

такого отклонения вдоль цепочки атомов ферромагнетика приведен на рис.9.22.

Рисунок 9.22 - Возникновение спиновой волны в ферромагнетике

Сложное коллективное упорядоченное движение локальных моментов

можно описать с помощью спиновой волны. На основании принципа

корпускулярно-волнового дуализма распространение спиновой волны можно

описать на языке движения особой квазичастицы – магнона.

Если магнитный момент одного атома за счет нагревания отклонился, то за

ним отклоняются и моменты

на соседних атомах, с которыми он взаимодействует,

и образуется спиновая волна. Если увеличим температуру настолько, что

разрушится ферромагнитное упорядочение (переход в парамагнетик), то

упорядоченного движения не будет, и спиновые волны существовать не смогут.

При нагревании твердого тела

число магнонов должно увеличиваться (при Т=0 их

вовсе нет). Можно показать, что число магнонов зависит от температуры как

(рис. 9.23). Тогда полный магнитный момент зависит от температуры

следующим образом:

3/2

T~~

−

(закон Блоха).

Рисунок 9.23 - Зависимость намагниченности ферромагнетиков от

температуры

При температуре Кюри Т

число магнонов максимально, при увеличении

температуры выше Т

магноны активно взаимодействуют и начинают уничтожать

друг друга, разрушая тем самым саму фазу ферромагнитного упорядочения.

8 Цилиндрические магнитные домены

Рассмотрим кристаллическую (эпитаксиальную) пленку ферромагнетика с

одной осью легкого намагничивания, направленной перпендикулярно

поверхности пленки.

Рисунок 9.24 - Цилиндрические магнитные домены

Если ее толщина h порядка ~1мкм, то в ней могут образовываться домены в

виде "цилиндров", носящие название цилиндрических магнитных моментов

(ЦМД) (рис. 9.24). При малой толщине из-за того, что размагничивающий фактор

в плоскости пленки на много порядков меньше, чем в направлении нормали к ней,

намагниченность располагается

параллельно плоскости пленки. В этом случае

образования доменов с противоположными направлениями намагничивания по

толщине пленки не происходит.

ЦМД могут быть использованы для создания запоминающих и логических

устройств. При этом наличие домена в данной точке пленки соответствует

значению «1», а отcутствие значению «0». Создавая градиент магнитного поля,

мы можем заставлять "цилиндрик" двигаться, таким

образом, записывая

информацию. Движение доменов - это не движение самих атомов в пленке, а

движение областей с одинаковой ориентации суммарного магнитного момента

атомов. Поэтому затраты энергии для такого процесса малы, а так как размеры

доменов можно довести до очень малой величины (менее 0.5 мкм.) то на основе

ЦМД можно получать устройства с

большой плотностью записи информации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978.

2. Блейкмор Дж. Физика твердого тела. - Мир, 1988.

3. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. - М.: Высш. школа, 2000.

4. Вонсовский С.В. Магнетизм. - М. 1971.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Какова природа диамагнетизма?

2. Какова природа парамагнетизма с точки зрения зонной теории?

3. Почему домен имеет конечный размер?

4. Каковы механизмы возникновения ферромагнетизма в разных классах

соединений?

5. Почему в сплавах ферромагнетизм наблюдается в веществах, которые по

отдельности не являются ферромагнетиками?

6. Почему ферромагнитное состояние не существует

при высоких

температурах?