Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ФЕ)"

Ферримагнетизм

Ферримагнети'зм, магнитное состояние вещества, при котором элементарные магнитные моменты , ионов, входящих в состав вещества (ферримагнетика ), образуют две или большее число подсистем – магнитных подрешёток. Каждая из подрешёток содержит ионы одного сорта с одинаково ориентированными магнитными моментами. Магнитные моменты ионов разных подрешёток направлены навстречу друг другу или, в более общем случае, образуют сложную пространственную конфигурацию (например, треугольную). Часто число ионов в одной подрешётке в кратное число раз больше, чем в другой. Простейшая модель ферримагнитной упорядоченности показана на рис. 1 . Самопроизвольная намагниченность J вещества в ферримагнитном состоянии равна векторной сумме намагниченностей всех подрешёток. Ф. можно рассматривать как наиболее общий случай магнитного упорядоченного состояния. С этой точки зрения ферромагнетизм есть частный случай Ф., когда в веществе имеется только одна подрешётка.

  Антиферромагнетизм есть частный случай Ф., когда все под решётки состоят из одинаковых магнитных ионов и J = 0. Термин «ферримагнетизм» был введён Л. Неелем (1948) и происходит от слова феррит – названия большого класса окислов переходных элементов, в которых это явление было впервые обнаружено.

  Необходимым условием существования Ф. является наличие в веществе положительных ионов (катионов) элементов с незаполненной (d- или f -) электронной оболочкой, обладающих собственным магнитным моментом. Между ионами различных подрешёток должно существовать отрицательное обменное взаимодействие , стремящееся установить их магнитные моменты антипараллельно. Как правило, это взаимодействие является косвенным обменным взаимодействием, т. е. осуществляется путём обмена электронами через промежуточный немагнитный анион (например, ион кислорода, рис. 2 ).

  При высоких температурах, когда энергия теплового движения много больше обменной энергии, вещество обладает парамагнитными свойствами (см. Парамагнетизм ). Температурная зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков, в которых при низких температурах возникает Ф., обладает характерными особенностями, показанными на рис. 3 . Обратная восприимчивость (1/c) таких веществ следует Кюри – Вейса закону с отрицательной константой Q = D при высоких температурах, а при понижении температуры круто спадает, стремясь к нулю при Т ® Q_с . В Кюри точке Q_с, когда энергия обменного взаимодействия становится равной энергии теплового движения в веществе, возникает ферримагнитная упорядоченность. В большинстве случаев переход в упорядоченное состояние является фазовым переходом 2-го рода и сопровождается характерными аномалиями теплоёмкости, линейного расширения, гальваномагнитных и др. свойств.

  Возникающая ферримагнитная упорядоченность моментов описывается определённой магнитной структурой , т. е. разбиением кристалла на магнитные подрешётки, величиной и направлением векторов их намагниченностей. Магнитная структура может быть определена методами дифракции нейтронов (см. Дифракция частиц ). Образование той или иной магнитной структуры зависит от кристаллической структуры вещества и соотношения величин обменных взаимодействий между различными магнитными ионами. Обменное взаимодействие определяет только взаимную ориентацию намагниченностей подрешёток друг относительно друга. Другой их параметр – ориентация относительно осей кристалла – определяется энергией магнитной анизотропии , которая на несколько порядков меньше обменной энергии.

  Существование в ферримагнетике нескольких различных подрешёток приводит к более сложной температурной зависимости спонтанной намагниченности J, чем в обычном ферромагнетике. Это связано с тем, что температурные зависимости намагниченности каждой из подрешёток могут отличаться друг от друга (рис. 4 ). В результате спонтанная намагниченность, являющаяся в простейшем случае разностью намагниченностей подрешёток, с ростом температуры от абсолютного нуля может: 1) убывать монотонно (рис. 4 , а), как в обычном ферромагнетике; 2) возрастать при низких температурах и в дальнейшем проходить через максимум (рис. 4 , б); 3) обращаться в нуль при некоторой фиксированной температуре Q_к . температуру Q_к называют точкой компенсации, при Т > Q_к или Т < Q_к спонтанная намагниченность отлична от нуля.

  Впервые теоретическое описание свойств ферримагнетиков было дано Неелем (1948), который показал, что основные особенности поведения ферримагнетиков могут быть очень хорошо объяснены в рамках теории молекулярного поля. Ферримагнетики в не очень сильных магнитных полях (много меньше обменных) ведут себя так же, как ферромагнетики , т.к. такие магнитные поля не изменяют магнитной структуры. В отсутствии поля они разбиваются на домены , имеют характерную кривую намагничивания с насыщением и гистерезисом . В них наблюдается магнитострикция . В ферримагнетиках с неколлинеарными магнитными структурами при доступных значениях магнитного поля насыщения обычно не наблюдается. Особыми магнитными свойствами ферримагнетики обладают вблизи точки компенсации. Здесь даже слабые магнитные поля вызывают взаимный скос и опрокидывание подрешёток. Вдали от точки компенсации такие изменения магнитной структуры происходят в сильных (порядка обменных) магнитных полях. При определенных условиях в ферримагнетиках наблюдается резонансное поглощение электромагнитной энергии (ферримагнитный резонанс ). Изучение Ф. развивалось очень бурно и далеко продвинуло физику магнитных явлений. Удалось создать теорию ферримагнетиков-диэлектриков (большинство ферримагнетиков является диэлектриками); многие магнитные диэлектрики стали широко применяться в радиотехнике, СВЧ-технике, вычислительной технике.

  Лит.: Смит Я., Вейн Х., Ферриты, пер. с англ., М., 1962; Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетцки, М., 1965; Гуревич А. Г., Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках, М., 1973; Смоленский Г. А., Леманов В, В., Ферриты и их техническое применение, Л., 1975; см. также лит. при статьях Антиферромагнетизм , Ферромагнетизм .

  А. С. Боровик-Романов.

Рис. 4. Различные типы температурной зависимости намагниченности подрешёток M₁ и M₂ и спонтанной намагниченности J для ферримагнетика с двумя магнитными подрешётками.

Рис. 1. Схематическое изображение ферримагнитного упорядочения линейной цепочки магнитных ионов разных сортов с элементарными магнитными моментами m₁ и m₂ . М1 =Nm₁ и М2 = Nm₂ – намагниченности 1-й и 2-й подрешёток (N – число ионов данного сорта в единице объёма). Суммарная намагниченность J = М₁ – М₂ .

Рис. 3. Температурная зависимость обратной магнитной восприимчивости 1/c: 1 – парамагнетика с c = С/Т; 2 – ферромагнетика с c = С/(Т – Q); 3 – антиферромагнетика с c = С/(Т + Q); 4 – ферримагнетика.

Рис. 2. Типичное расположение ионов в ферримагнитном кристалле: С – немагнитный анион; А, B' и В" – магнитные катионы 1-й и 2-й подрешёток. Основное косвенное взаимодействие между А и B', В" – отрицательно. Взаимодействие B' – В" – мало.