слабый ферромагнетизм

СЛАБЫЙ ФЕРРОМАГНЕТИЗМ - существование в антиферромагнетиках спонтанного ферромагн. момента (СФМ), величина к-рого мала по сравнению с намагниченностью подрешёток. С. ф. существует у большого числа антиферромагнетиков; наблюдался в природных кристаллах гематита задолго до того, как было открыто явление антиферромагнетизма [1]. Долгое время считалось, что наблюдаемый ферромагнетизм обусловлен примесями других, ферромагн. окислов железа, пока это явление не было обнаружено в химически чистых образцах NiF₂ [2] (см. табл.), МnСО₃ и СоСО₃ [3]. После этого была построена термодинамич. теория С. ф. в антиферромагнетиках (И. Е. Дзялошинский, 1957, [4]).

Рис. 1. Зависимость молярной намагниченности М_мол монокристалла МnСО₃ от внешнего поля H, приложенного вдоль тригональной оси O_z (M_z) и перпендикулярно ей (М_ху) при Т = 4,2К.

Вещества со С. ф. обнаруживают характерную магн. анизотропию. СФМ направлен либо вдоль одного выделенного кристаллографич. направления, либо в плоскости, перпендикулярной гл. оси тригональных или гексагональных кристаллов (базисная плоскость). Типичные кривые намагничивания показаны на рис. 1 на примере МnСO₃. При любом направлении магн. поля Н в базисной плоскости ху возникает параллельная ему намагниченность М_ху, к-рая зависит от H (начиная с полей ~1 кЭ) по закону:

где - величина СФМ, - магн. восприимчивость в плоскости ху, H_D - эфф. поле Дзялошинского. Если вектор H направлен перпендикулярно базисной плоскости (вдоль оси Oz), то

Величина составляет небольшую долю от намагниченности подрешёток М_п (п - номер подрешётки). Температурная зависимость (Т)(рис. 2) аналогична М_п(Т), если в веществе при изменении Т не происходит перехода из одной антиферромагн. структуры (АС) в другую. Для температурной зависимости характерно наличие острого максимума в Нееля точке (Т = Т_N)(рис. 3).

С. ф. возникает в тех антиферромагнетиках, группа магнитной симметрии к-рых допускает одновременно как антиферромагн., так и ферромагн. упорядочение. Найдены все пространств. и точечные группы магн. симметрии, допускающие существование С. ф. [5. 6].

Рис. 2. Температурная зависимость а₀ для СоСО₃ (в единицах СГСМ на моль).

Рис. 3. Температурная зависимость молярной магнитной восприимчивости для СоСО₃.

Термодинамическая теория С. ф. основана на разложении термодинамич. потенциала Ф по компонентам векторов антиферромагнетизма L и намагниченности М, являющихся линейными комбинациями М_п (напр., в двухподрешёточном антиферромагнетике L = M₁ - М₂, М = M₁ + М₂). Это разложение должно быть инвариантным относительно всех преобразований симметрии пространственной группы кристалла. Многие группы допускают в разложении Ф существование членов вида . Их наличие приводит к тому, что при установлении антиферромагн. упорядочения с возникает СФМ M_k, величина к-рого может быть рассчитана из ур-ний, получающихся при минимизации Ф. В случае тригональных структур, обладающих пространственной группой,

Коэффициенты при изотропных членах (А к В), обусловленные обменным взаимодействием, во много раз больше коэффициентов при анизотропных релятивистских членах (а, b, d). Коэф. В является осн. константой обменного взаимодействия, определяющей эффективное обменное магн. поле H_Е = BL/2. Минимизация (3) при заданном значении L² даёт два решения:

1) (L_x = L_y = 0) и M = 0 - такой магн. структурой обладают FeCO₃ и низкотемпературная модификация;

2) и М_х = (d/B)L_y, M_y = (d/B)L_x, M_z = 0. При этом возникает СФМ

Этот СФМ мал ввиду малости отношения d/B. Такой магн. структурой обладают МnСO₃, СоСО₃, NiCO₃ и высокотемпературная модификация . Если включить в потенциал член с магн. полем, то минимизация Ф приводит к ф-лам (1) и (2), в к-рых, а

Вектор перпендикулярен L. Поэтому в веществах со С. ф. векторы намагниченности подрешёток не направлены строго антипараллельно, а отклоняются на небольшой угол от оси антиферромагнетизма (рис. 4, а). В принципе возможен и продольный С. ф. благодаря различию величин векторов М_п строго антипараллельных подрешёток. Однако во всех известных случаях С. ф. . При перемагничивании вместе с должен менять знак и L, т. е. подрешётки должны поворачиваться на 180°.

Рис. 4. Образование за счёт скоса векторов намагниченности подрешёток м_п: а - слабого ферромагнетизма в двухподрешёточном антиферромагнетике; б - антиферромагнитной структуры с четырьмя скрещенными подрешётками.

Слагаемое из (3) описывает Дзялошинского взаимодействие ,такого вида члены встречаются в ряде пространственных групп тригональных, тетрагональных и гексагональных сингоний. В нек-рых группах тетрагональных сингоний С. ф. описывается членом вида, а в ромбич. сингониях - членом вида . В моноклинных сингониях подобная сумма содержит четыре члена. В большинстве групп гексагональной и кубической сингоний С. ф. описывается членами шестого и четвёртого порядка по[5].

Для антиферромагнетиков с четырьмя и более подрешётками существует неск. векторов L, описывающих разл. антиферромагн. структуры АС. Поэтому в выражение для потенциала Ф могут входить члены типа (р, q - номера АС), к-рые приводят к возникновению АС со скрещенными подрешётками, не обладающих С. ф. (рис. 4, б).

В микроскопической теории С. ф. рассматривают самый общий вид спинового гамильтониана, удовлетворяющий симметрии данного кристалла:

Здесь - операторы компонент спинов магн. ионов, расположенных в узлах;- тензор, описывающий их взаимодействие;- константа одноионной анизотропии. Первый член содержит как обычную изотропную часть (i = k), к-рая описывает обменное взаимодействие, так и анизотропную часть . Последняя описывает анизотропию, обусловленную межионным взаимодействием, а также С. ф. Ответственная за С. ф. часть гамильтониана может быть представлена в виде . Вектор Дзялошинского соответствует константе а в разложении (3). В рассмотренных выше тригональных кристаллах направлен параллельно оси.

Второй член описывает одноионную анизотропию, и обычно коэф.не зависят от номера узла. Однако в нек-рых тетрагональных кристаллах оси симметрии в двух эквивалентных узлах элементарной ячейки повёрнуты на 90° и соответственно. В этом случае С. ф. обусловлен не анизотропным обменом, а одноионной анизотропией.

Фазовые переходы. В отличие от обычных антиферромагнетиков, в антиферромагнетиках со С. ф. при Т > T_N магн. поле вызывает антиферромагн. упорядочение с вектором L, перпендикулярным приложенному полю. Подобно ферромагнетикам у антиферромагнетиков со С. ф. в магн. поле (параллельном С. ф. моменту) нет различия в магн. симметрии при темп-pax выше и ниже критической [9]. С этим обстоятельством связано возникновение показанного на рис. 3 пика магн. восприимчивости.

В кристаллах, у к-рых симметрия допускает существование С. ф., наблюдаются специфич. магнитные фазовые переходы. Во-первых, переходы, обусловленные изменением с темп-рой соотношения констант магн. анизотропии, приводящие к повороту L от одного кристаллографич. направления к другому. В результате такого поворота антиферромагнетик может переходить из состояния со С. ф. в чисто антиферромагн. состояние (переход Морина в ) или в состояние, где С. ф. сохраняется, но происходит соответствующий поворот вектора СФМ. Подобные ориентационные фазовые переходы в нек-рых ортоферритах и ортохромитах происходят постепенно, и процесс переориентации ограничен сверху и снизу по темп-ре двумя фазовыми переходами 2-го рода [7]. Во-вторых, наблюдаются фазовые переходы из чисто антиферромагн. состояния в состояние со С. ф. под действием магн. поля. Такие переходы происходят в легкоосных антиферромагнетиках, если Н приложено перпендикулярно лёгкой оси. Магн. поле вызывает поворот вектора L в плоскости, перпендикулярной Н, и возникновение СФМ вдоль Н. В четырёхподрешёточных антиферромагнетиках возможен индуцированный магн. полем переход 1-го рода в состояние со С. ф., сопровождающийся перестройкой АС.

В веществах, симметрия к-рых допускает существованне С. ф., но анизотропия такова, что вещество переходит в чисто антиферромагн. состояние, в области вблизи T_N могут наблюдаться аномалии в температурной зависимости восприимчивости, аналогичные показанной на рис. 3.

Свойства некоторых антиферромагнетиков со слабым ферромагнетизмом

Лит.: 1) S m i t h I., The magnetic properties of hematite, «Phys. Rev.», 1916, v. 8, p. 721; 2) Matarrese L. M., Stout J. W., Magnetic anisotropy of NiF₂, «Phys. Rev.», 1954, v. 94, p. 1792; 3) Боровик-Романов А. С., Орлова М. П., Магнитные свойства карбонатов кобальта и марганца, «ЖЭТФ», 1956, т. 31, с. 579; 4) Дзялошинский И. Е., Термодинамическая теория «слабого» ферромагнетизма антиферромагнетиков, «ЖЭТФ», 1957, т. 32, с. 1547; 5) Т у р о в Е. А., Физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов, М., 1963; 6) В i г s s R., Symmetry and magnetism, Amst., 1964; 7) Ориентационные переходы в редкоземельных магнетиках, М., 1979; 8) Moriya Т., Weak ferromagnetism, в кн.: Magnetism, ed. by G. T. Rado, H. Suhl, v. 1, N. Y.-L., 1963; 9) Боровик-Романов А. С., Лекции по низкотемпературному магнетизму, Новосиб., 1976. А. С. Боровик-Романов.