ориентационные фазовые переходы

ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ - (спин-переориентационные переходы) - особый класс магнитных фазовых переходов, при к-рых меняется ориентация осей лёгкого намагничивания магнетиков при изменении внеш. параметров (темп-ры, магн. поля). Эти фазовые переходы происходят между магнитоупорядоченными фазами магнетика и относятся к т. н. переходам типа порядок - порядок. При О. ф. и. перестраивается магнитная атомная структура и изменяется магнитная симметрия кристаллов. О. ф. и., происходящие при изменении темп-ры, наз. спонтанными переходами, при изменении внеш. магн. поля - индуцированными переходами.
Простейшим примером спонтанного О. ф. п. является наблюдаемая в ряде магн. кристаллов переориентация спинов (спиновых магн. моментов) от одной кристаллографич. оси к другой при изменении темп-ры. Такие переходы наблюдаются, напр., в классич. ферромагнесике кобальте, в гадолинии, в интерметаллических соединениях RCo₅ (где R - Nd, Pr, Dy, Tb), ферримагнетиках Mn₂Sb и Ba₂Co₂Fe₁₂О₂₂ и в целом ряде редкоземельных магнптоупорядоченных кристаллов [1]. Спонтанная переориентация магн. моментов обусловлена в них температурной зависимостью энергии магнитной анизотропии.
В том случае, когда переориентация моментов осуществляется в нек-рой кристаллографич. плоскости кристалла, изменение термодинамич. потенциала Ф кристалла удобно представить в виде

где К₁ и К₂ - константы анизотропии, изменение к-рых с темп-рой и приводит к О. ф. п.; - угол ориентации оси лёгкого намагничивания относительно кристаллография, осей в плоскости переориентации. Минимизация (1) по углуприводит к трём возможным состояниям системы (вблизи от О. ф. п. К₂ считают не зависящей от темп-ры):

Если К₁ знакопеременна, а К₂ > 0 в рассматриваемой области темп-р, то в кристалле могут существовать коллинеарные фазы I и II и угл. фаза III. Темп-ры Т₁ [при к-рой К₁(T₁) + 2К₂ = 0] и Т₂ [при к-рой К₁(Т₂) = 0] есть точки О. ф. п. IIIII и IIII соответственно. На рис. 1 приведены в качестве примеров температурные зависимости констант К₁ и К₂ гексагональных интерметаллич. соединений NdCo₅ и РгСо₅, на рис. 2 показаны температурные зависимости угла отклонения намагниченности от гексагональной оси для этих соединений. Переходы между фазами I111 и IIIII, возникающие при инверсии знака константы анизотропии К₁, являются типичными примерами фазовых переходов, описываемых теорией Ландау [2].

Рис. 1. Температурные зависимости констант анизотропии для NdCo₅ (пунктир) и РrСо₅ (сплошная линия).

Действительно, в случае, напр., перехода IIII, разложение термодинамич. потенциала (1) в ряд по вблизи Т = Т₂ даёт известное выражение теории Ландау [зависимость К₁(Т) в рассматриваемой области температур предполагается линейной]:

где(Т) = 2К₁(Т) = 2К(Т - Т₂)/Т₂, К- константа, = 4К₂, Угол здесь играет роль параметра порядка.

Рис. 2. Температурные зависимости ориентации осей лёгкого намагничивания для NdCo₅ и РrСо₅.

Такую же форму принимает термодинамич. потенциал вблизи точки Т = Т₁ при (либо). Т. о., переориентация магн. моментов, описываемая термодинамич. потенциалом (1), при К₂ > 0 происходит непрерывно, путём двух фазовых переходов 2-го рода при темп-pax Т₁ и Т₂. Параметр (параметр порядка) меняется при этом непрерывно, а производная имеет разрывы на концах области переориентации (рис. 3,а). Очевидно, что вблизи темп-р Т₁ и Т₂, при к-рых происходят фазовые переходы 2-го рода, должны наблюдаться характерные особенности в поведении ряда термодинамич. величин: теплоёмкости, модуля Юнга и т. п., а также расходимость восприимчивости (описывающей отклик параметра порядка на термодинамически сопряжённое ему поле), обращение в нуль частоты колебаний параметра порядка (мягкая мода), замедление его релаксации и т. д. Такие аномалии в окрестности точки О. ф. п. действительно наблюдались, напр., в редкоземельных магнетиках [1]. При непрерывной переориентации магн. моментов угл. фаза III играет роль "буфера". Она позволяет магн. моментам непрерывно переходить из фазы I в фазу II. О. ф. п. относятся к переходам, для к-рых теория Ландау является очень хорошим приближением, т. к. флуктуации параметра порядка в критич. состоянии здесь можно не учитывать, поскольку они проявляются в очень узкой области темп-р (Т ~ 10^-6 - 10^-8K) вблизи точки перехода.

Рис. 3. Температурная зависимость угла при ориентационном фазовом переходе: а - К₂ > 0; б - К₂ < 0.

При К₂ < 0 фаза III является неустойчивой и температурные области существования фаз I и И перекрываются. С точки зрения симметрии, непосредств. непрерывный переход III невозможен, т. к. для непрерывного перехода необходимо, чтобы группа магн. симметрии одной из фаз, участвующей в переходе, была подгруппой симметрии другой фазы, что для фаз I и II не выполняется. Следовательно, непосредств. переход III может осуществляться только скачкообразно (фазовый переход 1-го рода) при Т = Т_с, где Т_с определяется условиями равенства термодинамич. потенциалов обеих фаз: Ф( = 0) = Ф( ), т. е. K₁(T_c) + K₂ = 0. Темп-ры Т₁ и Т₂, определяемые ур-ниями К₁(Т₂) = 0 и K₁(T₁)+ 2К₂ = 0, есть границы областей существования метастабильных фаз (в предположении, что переход III происходит однородно по образцу). Разложение Ф по (либо приводит к выражению (2), где = 4К₂ < 0, что, согласно теории Ландау, является признаком фазового перехода 1-го рода. На рис. 3(б) изображена зависимость(Т)для этого случая.
Внеш. магн. поле Н_вн оказывает существ. влияние на О. ф. п., подавляя их или, наоборот, способствуя их возникновению. Поле Н_вн может также индуцировать О. ф. п. Напр., в целом ряде антиферромагнетиков при достаточно большом (критическом) значении магн. поля Н_с, приложенного вдоль оси антиферромагнетизма, происходит переориентация спинов, и намагниченность магн. подрешёток устанавливается перпендикулярно направлению действующего магн. поля [3] (см. Спин-флоп переход). Индуцированные полем О. ф. п. наблюдались также в слабых ферромагнетиках, в частности в редкоземельных ортоферритах, для к-рых были исследованы разнообразные фазовые диаграммы Н_с- Т [1].

Лит.: 1) Орнентационные переходы в редкоземельных магнетиках, М., 1979; 2) Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, ч. 1, 3 изд., М., 1976; 3) Боровик-Романов А. С., Антиферромагнетизм, в кн.: Итоги науки. Сер. физ--мат. науки, в. 4, М., 1962.

А. М. Кадомцева.