Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Водород, как альтернативное топливо.
Как известно наша планета богата энергоносителями, которые, вот уже не одну сотню лет, исправно служат человеку, делая его жизнь более комфортной. Но так же известно, что запасы полезных ископаемых, из которых получают эти энергоносители, с каждым годом всё уменьшаются, а их стоимость в связи с этим растёт, не говоря уже о загрязнении окружающей среды путём выброса в атмосферу продуктов сгорания. Далее...

Слабый ферромагнетизм

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 гематита8044-1.jpg 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]).

8044-2.jpg

Рис. 1. Зависимость молярной намагниченности Ммол монокристалла МnСО3 от внешнего поля H, приложенного вдоль тригональной оси Oz (Mz) и перпендикулярно ей (Мху) 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 Мху, к-рая зависит от H (начиная с полей ~1 кЭ) по закону:
8044-3.jpg

где8044-4.jpg - величина СФМ, - магн. восприимчивость в плоскости ху, HD - эфф.8044-5.jpg поле Дзялошинского. Если вектор H направлен перпендикулярно базисной плоскости (вдоль оси Oz), то
8044-6.jpg

Величина8044-7.jpg составляет небольшую долю от намагниченности подрешёток Мп (п - номер подрешётки). Температурная зависимость8044-8.jpg (Т)(рис. 2) аналогична Мп(Т), если в веществе при изменении Т не происходит перехода из одной антиферромагн. структуры (АС) в другую. Для температурной зависимости8044-9.jpg характерно наличие острого максимума в Нееля точке (Т = ТN)(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].

8044-10.jpg

Рис. 2. Температурная зависимость а0 для СоСО3 (в единицах СГСМ на моль).
8044-11.jpg

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 Мп (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 вида8044-12.jpg . Их наличие приводит к тому, что при установлении антиферромагн. упорядочения с8044-13.jpg возникает СФМ Mk, величина к-рого может быть рассчитана из ур-ний, получающихся при минимизации Ф. В случае тригональных структур, обладающих пространственной группой8044-14.jpg,
8044-15.jpg

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 HЕ = BL/2. Минимизация (3) при заданном значении L2 даёт два решения:

1)8044-16.jpg (Lx = Ly = 0) и M = 0 - такой магн. структурой обладают FeCO3 и низкотемпературная модификация8044-17.jpg;

2)8044-18.jpg и Мх = (d/B)Ly, My = (d/B)Lx, Mz = 0. При этом возникает СФМ
8044-19.jpg

Этот СФМ мал ввиду малости отношения d/B. Такой магн. структурой обладают МnСO3, СоСО3, NiCO3 и высокотемпературная модификация8044-20.jpg . Если включить в потенциал член с магн. полем, то минимизация Ф приводит к ф-лам (1) и (2), в к-рых8044-21.jpg, а8044-22.jpg

Вектор8044-23.jpg перпендикулярен L. Поэтому в веществах со С. ф. векторы намагниченности подрешёток не направлены строго антипараллельно, а отклоняются на небольшой угол8044-24.jpg от оси антиферромагнетизма (рис. 4, а). В принципе возможен и продольный С. ф. благодаря различию величин векторов Мп строго антипараллельных подрешёток. Однако во всех известных случаях С. ф.8044-26.jpg . При перемагничивании вместе с8044-27.jpg должен менять знак и L, т. е. подрешётки должны поворачиваться на 180°.
8044-25.jpg

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

Слагаемое8044-28.jpg 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 вида8044-29.jpg, а в ромбич. сингониях - членом вида . В моноклинных сингониях подобная8044-30.jpg сумма содержит четыре члена. В большинстве групп гексагональной и кубической сингоний С. ф. описывается членами шестого и четвёртого порядка по8044-31.jpg[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 типа8044-32.jpg (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:
8044-33.jpg

Здесь8044-34.jpg - операторы компонент спинов магн. ионов, расположенных в узлах8044-35.jpg;8044-36.jpg- тензор, описывающий их взаимодействие;8044-37.jpg- константа одноионной анизотропии. Первый член содержит как обычную изотропную часть (i = k), к-рая описывает обменное взаимодействие, так и анизотропную часть8044-38.jpg . Последняя описывает анизотропию, обусловленную межионным взаимодействием, а также С. ф. Ответственная за С. ф. часть гамильтониана может быть представлена в виде8044-39.jpg . Вектор Дзялошинского8044-40.jpg соответствует константе а в разложении (3). В рассмотренных выше тригональных кристаллах8044-41.jpg направлен параллельно оси8044-42.jpg.

Второй член описывает одноионную анизотропию, и обычно коэф.8044-43.jpgне зависят от номера узла. Однако в нек-рых тетрагональных кристаллах оси симметрии в двух эквивалентных узлах элементарной ячейки повёрнуты на 90° и соответственно8044-44.jpg. В этом случае С. ф. обусловлен8044-45.jpg не анизотропным обменом, а одноионной анизотропией.

Фазовые переходы. В отличие от обычных антиферромагнетиков, в антиферромагнетиках со С. ф. при Т > TN 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 в8044-46.jpg ) 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 TN могут наблюдаться аномалии в температурной зависимости восприимчивости, аналогичные показанной на рис. 3.

Свойства некоторых антиферромагнетиков со слабым ферромагнетизмом
8044-47.jpg

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.

  Предметный указатель