магнитная нейтронография

МАГНИТНАЯ НЕЙТРОНОГРАФИЯ - исследование атомной магн. структуры кристаллов методами упругого когерентного рассеяния медленных нейтронов, длина волны к-рых порядка межатомных расстояний в кристалле ( мкм, см. Дифракция нейтронов ).Наличие у нейтронов магн. момента приводит к тому, что наряду с рассеянием нейтрона на атомных ядрах происходит т. н. магн. рассеяние, обусловленное взаимодействием магн. момента нейтрона с магн. моментами электронных оболочек атомов.

Если магн. моменты атомов ориентированы хаотически (парамагнетик), то магн. рассеяние нейтронов имеет некогерентный, диффузный характер. Если же магн. моменты атомов имеют упорядоченную ориентацию (см. Магнитная атомная структура ),магн. рассеяние является когерентным и наряду с ядерным когерентным рассеянием вносит вклад в дифракцию нейтронов. Когерентное магн. рассеяние проявляется в виде дополнит. пиков (рефлексов) или вкладов в осн. рефлексы структурной нейтронограммы, некогерентное - определяет её фон. Анализ нейтронограммы даёт прямую информацию о распределении и ориентации магн. моментов атомов в магн. кристаллах, а также об их величине.

В общем случае пики магн. и ядерного рассеяния не совпадают. Они налагаются друг на друга только в случае ферромагн. или антиферромагн. структур при совпадении магн. и кристаллография, элементарных ячеек. По расположению магн. рефлексов определяются транс-ляц. векторы магн. структуры. По интенсивности рефлексов определяется взаимная ориентация атомных моментов в магн. элементарной ячейке.

Выделение магн. составляющей в случае структур, где часть магн. и ядерных отражений совпадает по углу рассеяния, а несовпадающие могут перекрываться из-за недостаточной разрешающей способности приборов, является сложной задачей. В дифракц. пике следует также выделять составляющую, вызванную либо диффузным парамагн. рассеянием, либо ближним магн. порядком в кристалле, или термодиффузным рассеянием (см. Неупругое рассеяние нейтронов). Для выделения магн. составляющей эффективно использование поляризованных нейтронов. Изменяя направление поляризации, можно с высокой точностью измерять незначит. вклады магн. рассеяния (см. ниже).

Теоретическое описание. Дифференц. сечение когерентного упругого магн. рассеяния нейтронов, связанное с брэгговским отражением от кристалла с атомной магн. структурой, определяется в интервале телесного угла выражением:

Здесь S - спин рассеивающего атома (в ед. ), связанный с его магн. моментом m соотношением - магн. момент нейтрона (в ядерных магнетонах), см - т. н. классич. радиус электрона (т_е - масса электрона, е - его заряд), f - магн. формфактор, учитывающий фазовые сдвиги нейтронных волн, рассеянных разл. элементами объёма атома. Он аналогичен атомному фактору для рассеяния рентгеновских лучей, но с увеличением ( - угол рассеяния) уменьшается быстрее, т. к. электроны, определяющие магн. момент атома, расположены на внеш. оболочках атома (рис. 1). Вектор , наз. вектором магн. взаимодействия, определяет взаимную ориентацию нормали е к отражающей плоскости в магн. момента атома m (рис. 2). Величина наз. амплитудой магн. рассеяния нейтронов и является

Рис. 1. Зависимость магнитного формфактора от и атомного фактора рассеяния рентгеновских лучей (пунктир) для иона

Рис. 2. Соотношение между единичными векторами нормали к отражающей плоскости, магнитного момента и спина падающего на кристалл пучка поляризованных нейтронов.

аналогом амплитуды ядерного рассеяния нейтронов (см. Нейтронография структурная ).Для , близких к 0° ( мало), величины р и Ь сравнимы по величине. Напр., для железа

b=0,96;

При вычислении суммарного сечения ядерного и магн. рассеяний нейтронов следует учитывать их возможную интерференцию. В случае поляризованных нейтронов с единичным вектором поляризации дифференц. сечение имеет вид:

В зависимости от направления и амплитуды ядерного и магн. рассеяний будут либо складываться, либо вычитаться:

Если падающий пучок не поляризован, то ср. значение и . Для поляризации нейтронов соответствующей , . Это даёт возможность получения пучка поляризованных нейтронов. Для этого нужно подобрать отражение от кристалла- монохроматора с такими Ь и р, что при нек-ром значении либо, либо станут близки к 0. В этом случае отражённый пучок нейтронов будет почти полностью поляризованным. Это выполняется, напр., при отражении от плоскости (220) монокристалла или от плоскостей (111) и (220) сплава с кубич. структурой.

Интенсивность магн. брэгговского отражения кри-сталлографич. плоскостью с индексами h, k, l пропорциональна квадрату т. н. магн. структурного фактора F, учитывающего фазовые соотношения между рассеивающими атомами в магн. элементарной ячейке, содержащей атомов:

( - индекс суммирования).

В приведённом теоретич. описании рассмотрен коллинеарный магнетик, для к-рого магн. и кристаллич. элементарные ячейки совпадают, а магн. моменты этомов направлены строго параллельно или антипараллельно друг другу. В этом случае положения ядерных и магн. дифракц. пиков определяются параметрами элементарной ячейки кристалла.

В общем случае в дифракц. картине упругорассеянных кристаллом нейтронов могут присутствовать магн. пики, не совпадающие по положению на нейтронограмме с ядерными вследствие того, что спин атома j в ячейке с индексом связан со спином аналогичного атома в исходной нулевой ячейке соотношением Здесь - трансляция, связывающая и 0-ячейки, а - волновой вектор рассеянных нейтронов. Выражения для магн. структурного фактора (5) в этом случае имеют более сложный вид:

где k₀ - волновой вектор падающих нейтронов, радиус-вектор j-атома в решётке. В отличие от (4), в (5) суммирование ведётся не по атомам в элементарной ячейке, а по атомам в кристалле.

Т. о., нейтронографич. определение магн. структуры осуществляется в 2 этапа. Во-первых, по положению брэгговских пиков на нейтронограмме устанавливают периоды элементарной ячейки магн. структуры. На 2-м этапе посредством анализа интенсивностей магн. рефлексов определяют взаимную ориентацию магн. моментов атомов в пределах элементарной ячейки, а также их ориентацию по отношению к кристаллографич. осям. Экспериментальные методы. Магн. дифрактометры конструктивно не отличаются от дифрактометров структурных. Однако необходимость отделять магн. рассеяние от ядерного в случае неполяризованных нейтронов требует дополнит. измерений при повышенных темп-рах (выше точки Кюри или Нееля), а также в значит. магн. полях, ориентированных параллельно и перпендикулярно магн. моментам атомов. На рис. 3, а приведена нейтронограмма ядерного и магн. рассеяния нейтронов от поликристаллич. образца МnО, парамагнитного при комнатной темп-ре. При Т ниже точки Нееля = 80 К МпО переходит в антиферромагн. состояние. Этому соответствует возникновение дополнит. максимумов на нейтронограмме. Полуцелые индексы указывают на то, что период магн. элементарной ячейки по всем направлениям вдвое больше структурного.

Рис. 3. a-нейтронограммы МnО при 80 К и 293 К: б-модель антиферромагнитного упорядочения ионов Мп; стрелки указывают направление магн. моментов Мп.

В случае поляриз. нейтронов для определения магн. структуры в отражениях, содержащих ядерный и магн. вклады, измеряют отношение интенсивностей I дифрагир. нейтронных пучков с поляризацией параллельной () и антипараллельной () вектору намагниченности кристалла:

Для определения F_м для каждого отражения измеряют поляризац. отношение R.

Схема установки для проведения поляризац. анализа (спин-спектрометра) представлена на рис. 4. Неполяриз. немонохроматич. пучок нейтронов 1 из ядерного реактора направляется на магн. кристалл 2, к-рый служит одновременно монохроматором и поляризатором нейтронов. Кристалл 2 находится во внеш. поле Н, к-рое, намагничивая его до насыщения, ориентирует магн. моменты атомов нужным образом и задаёт поляризацию первичного пучка нейтронов (см. выше). Для измерений при двух ориентациях вектора поляризации нейтронов ( ) используют радиочастотную катушку 3 (флиппер), при включении к-рой направление поляризации изменяется на противоположное (спин нейтрона при поглощении фотона изменяет направление на противоположное). Исследуемый образец 4 помещают между полюсами электромагнита, позволяющего ориентировать вектор рассеяния вдоль и поперёк поля H, т. е. магн. вклад в рассеяние нейтронов образцом можно либо подавить, либо довести до максимума. Перед детектором нейтронов 6 помещён кристалл-анализатор 5, аналогичный поляризатору 2. И тот, и другой не отражают нейтроны, поляризация к-рых по направлению противоположна вектору намагниченности. При поляризации нейтронов и аналогично настроенном анализаторе, если оба флиппера выключены, детектор измеряет сечение рассеяния нейтронов, не изменивших направление спина (). Если оба флиппера включены, измеряется сечение . Если включён только 1-й или только 2-й флиппер, то измеряются процессы рассеяния с переворотом спина нейтрона. Обычно эксперимент проводится второй раз с выключенным флиппером, расположенным после образца. Т. о., измеряют зависимость интенсивности рассеяния нейтронов от угла сначала магнитного (с переворотом спина нейтрона), а затем ядерного (без переворота спина) рассеяний и определяют и . На рис. 5 приведено разделение ядерного и магн. рассеяния для образца гематита () при комнатной темп-ре и поляризации нейтронов, параллельной вектору рассеяния. Верхняя нейтронограмма получена при выключенных флипперах, когда фиксируется только ядерное рассеяние, нижняя нейтронограмма снята при включённом флиппере и содержит только дифракц. пики магн. рассеяния.

Распределение спиновой плотности М. н. позволяет исследовать распределение спиновой плотности в магн. элементарной ячейке. Спиновая плотность обусловлена не только нескомпенсир. спинами электронов недостроенных оболочек (d или f) атомов переходных элементов, она создаётся также поляризацией делокализ. электронов под действием ферромагнитно упорядоченных магн. моментов, при действии на кристалл сильного магн. поля. Она может быть связана с существованием радикалов, а также с перераспределением электронов при образовании хим. связи. Эти тонкие эффекты могут быть исследованы методами М. н.

Экспериментально измеренные магн. структурные факторы F_M используют в качестве коэф. ряда Фурье, суммирование (свёртка) которого даёт распределение спиновой плотности в магн. элементарной ячейке кристалла. Если при этом из F_M вычесть ту часть магн. рассеяния, к-рая обусловливает сферически-симметричное распределение электронов в атоме, то результирующая картина соответствует (делокализованной) спиновой плотности в магн. элементарной ячейке. На рис. 6 представлена картина делокализ. спиновой плотности в a-Fe, полученная вычитанием из экспериментально измеренных интенсивностей магн. рассеяния сферически-симметричной части электронного распределения, ответственного за магн. момент атома. Кроме положит. областей (+), обязанных Зd-электронам, видны области отрицат. намагниченности (-), связанные с 4f-электронами.

М. н. позволила изучить многочисл. классы магн. структур, а также магн. фазовые превращения. Дифрактометры по времени пролёта на импульсных реакторах позволяют получить дифракц. картины высокого разрешения, а также изучать образцы находящихся между полюсами сильных магнитов или в камерах высокого давления.

Лит.: Бэкон Дж., Дифракция нейтронов, пер. с англ., М., 1957; Изюмов Ю. А., Озеров Р. П., Магнитная нейтронография, М., 1966; Изюмов Ю. А., Найш В. Е., Озеров Р. П., Нейтронография магнетиков, М., 1981.

Ю. 3. Нозик.

   <<      Предметный указатель      >>