Феромагнетизм, антиферомагнетизм, ферімагнетизм

Для опису впорядкованих магнітних структур, які приводять до феромагнетизму, антиферомагнетизму та феримагнетизму, вводять поняття магнітної елементарної комірки - найменшої сукупності груп атомів кристалічної структури, трансляцією якої одержують усю магнітну структуру кристала. Магнітна елементарна комірка може збігатися з кристалічною, однак у більшості випадків її розмір є кратним розміру кристалічної. Останніми роками відкрито неспівмірні структури, в яких відношення параметрів магнітної та кристалічної ґраток є ірраціональним числом. Усі кристали з магнітними елементарними комірками поділяють на дві групи: з відмінним від нуля та з рівним нулеві сумарним (результуючим) магнітним моментом.

Відмінний від нуля сумарний макроскопічний момент одиниці об'єму називають спонтанною намагніченістю і позначають символом J_S. К ристали, в яких J_S 0, називають феромагнетиками, а кристали з J_S =0 називають антиферомагнетиками. Схематично різні типи магнітного впорядкування у кристалах зображені на рис. 2.1.

У феромагнітній структурі всі магнітні моменти атомів (для простоти на рис. 2.1 зображені атоми одного сорту) напрямлені паралельно один до одного, внаслідок чого в такій структурі J_S 0. В антиферомагнітній структурі сусідні вузли займають атоми, які мають рівні, але протилежно напрямлені магнітні моменти, які взаємно компенсуються, тому J_S =0. Вісь, уздовж якої розміщуються антиферомагнітно впорядковані магнітні моменти, називають віссю антиферомагнет изму.

Усі атоми, які мають однаковий напрям магнітних моментів у структурі, об'єднують у так звані магнітні підгратки. На рисунку 6.1 б атоми, магнітні моменти яких напрямлені „вгору", утворюють одну підґратку, а атоми з протилежним напрямом магнітних моментів -іншу підтратку. Ці дві підгратки утворені атомами, які перебувають у кристалографічно еквівалентних положеннях, тому їх називають еквівалентними магнітними підїратками. У загальному випадку магнітна структура може містити декілька підґраток, утворених атомами з кристалографічно нееквівалентних позицій.

а б в г д

Рис. 2.1. Схематичне зображення орієнтації магнітних моментів у колінеарних (а – феромагнетик, б – антиферомагнетик, в – ферімагнетик) та неколінеарних магнітних структурах (г – феромагнітна структура, д – антиферомагнітна структура)

У феримагнітній структурі (рис. 6.1 в) сусідні атоми також володіють антипаралельною орієнтацією, однак сумарний магнітний момент комірки відмінний від нуля. Отже, така структура володітиме спонтаною намагніченістю, оскільки магнітні моменти іонів різних підґраток є нескомпенсованими. Неповна компенсація зумовлена тим, що в елементарну магнітну підґратку може входити неоднакове число атомів або величини моментів різних атомів є неоднаковими. В цьому розумінні феримагнетизм називають нескомпенсованим антиферомагнетизмом.

Розглянуті магнітні структури називають колінеарними. Крім них, є багато типів неколінеарних магнітних структур (рис. 6.1 г, д). Слабонеколінеарна магнітна структура властива слабким феромагнетикам і характеризується наявністю невеликого за величиною результуючого магнітного моменту, який виникає внаслідок незначної неколінеарності напрямів антиферомагнітного впорядкування магнітних моментів підґраток. Крім того, можливою є також слабонеколінеарна антиферомагнітна структура, яка не має результуючого моменту.

Існують сильнонеколінеарні структури, в яких магнітні моменти двох підґраток напрямлені під кутами один до одного і при їх додаванні, виникає результуючий момент антипаралельний до моменту третьої підгратки. Особливу групу становлять кристали, в яких спостерігається гвинтове та гелікоїдальне магнітне впорядкування.

Магнітну структуру речовин визначають багатьма методами. Прямий метод визначення атомної магнітної структури грунтується на явищі дифракції нейтронів. У деяких випадках певні дані про магнітну структуру можна дістати за допомогою ефекту Месбауера та методом ядерного магнітного резонансу (ЯМР).

Дата добавления: 2014-01-11