Ферримагнетизм

магнитное состояние вещества, при котором элементарные магнитные моменты (См. Магнитный момент), ионов, входящих в состав вещества (ферримагнетика (См. Ферримагнетики)), 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 (См. Неель) (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 (См. Магнитная восприимчивость) парамагнетиков, в которых при низких температурах возникает Ф., обладает характерными особенностями, показанными на рис. 3. Обратная восприимчивость (1/χ) таких веществ следует Кюри – Вейса закону (См. Кюри - Вейса закон) с отрицательной константой Θ = Δ при высоких температурах, а при понижении температуры круто спадает, стремясь к нулю при Т → Θ_с. В Кюри точке (См. Кюри точка)Θ_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 (См. Фазовый переход) 2-го рода и сопровождается характерными аномалиями теплоёмкости, линейного расширения, гальваномагнитных и др. свойств.

Возникающая ферримагнитная упорядоченность моментов описывается определённой магнитной структурой (См. Магнитная структура), 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 (См. Магнитная анизотропия), 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 Θ_к. температуру Θ_кназывают точкой компенсации, при Т > Θ_кили Т <>_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. 1. Схематическое изображение ферримагнитного упорядочения линейной цепочки магнитных ионов разных сортов с элементарными магнитными моментами μ₁ и μ₂. М1 =Nμ₁ и М2 = Nμ₂ — намагниченности 1-й и 2-й подрешёток (N — число ионов данного сорта в единице объёма). Суммарная намагниченность J = М₁ — М₂.

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.

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

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

ФЕРРИМАГНЕТИЗМ - магнитоупорядоченное состояние вещества (ферримагнетика), в котором магнитные моменты существующих в кристалле подрешеток магнитных взаимно не скомпенсированы и создают спонтанный магнитный момент Ms ? 0 (нескомпенсированный антиферромагнетизм). Во внешнем магнитном поле ферримагнетик намагничивается подобно ферромагнетику. У некоторых ферримагнетиков существует температурная точка компенсации, когда Ms = 0. При температуре выше Кюри точки ферримагнетизм исчезает.

ferrimagnetism

ФЕРРИМАГНЕТИЗМ

магнитоупорядоченное состояние в-ва, в к-ром магн. моменты атомных носителей магнетизма образуют неск. подрешёток магнитных с магн. моментами Mi, направленными навстречу друг другу или имеющими более сложную пространств. ориентацию; отличная от нуля векторная сумма намагниченностей подрешёток определяет самопроизвольную намагниченность в-ва Js. Обычно подрешётки различаются тем, что содержат ионы иной валентности или ионы другого металла. Простейшая модель ферримагнитной упорядоченности в-ва показана на рис. 1. Ф. устанавливается при темп-рах Т ниже критич. темп-ры Кюри q (см. КЮРИ ТОЧКА). В-ва, в к-рых установился ферримагнитный порядок, наз. ферримагнетиками.

Рис. 1. Схематическое изображение ферримагнитного упорядочения линейной цепочки магн. ионов разных сортов с элементарными магн. моментами m1 и m2. М1 = Nm1 и М2=Nm2— магнитные моменты 1-й и 2-й подрешёток (N — число ионов данного сорта в единице объёма). Суммарная намагниченность J=M1-М2.

Ф. можно рассматривать как наиболее общий случай магн. упорядоченного состояния. С этой точки зрения ферромагнетизм есть частный случай Ф., когда в в-ве имеется только одна подрешётка, антиферромагнетизм — частный случай Ф., когда все подрешётки состоят из одинаковых магн. ионов и Js=0. Термин «ферримагнетизм» был введён франц. физиком Л. Неелем (1948) и происходит от слова феррит — названия большого класса окислов переходных элементов, в к-рых это явление было впервые обнаружено. Часто термином Ф. называют совокупность физ. св-в в-в в указанном выше состоянии.

Магн. подрешётки ферримагнетиков образованы магн. моментами ионов элементов с незаполненной (d- или f-) электронной оболочкой, обладающей собств. магн. моментом. Между ионами разл. подрешёток существует отрицательное обменное взаимодействие, стремящееся установить их магн. моменты антипараллельно. Как правило, это взаимодействие явл. косвенным обменным взаимодействием, при к-ром отсутствует прямое перекрытие волновых функций магн. ионов. Учёт перекрытия волновых функций диамагнитных анионов (F-, O2-, S2-, Se2-) с волновыми функциями магн. катионов переходных металлов (напр., Fe3+ или Mn2+ ) приводит к возможности обменного взаимодействия через виртуальные, возбуждённые состояния. Простейшая схема такого взаимодействия показана на рис. 2. В основном состоянии (a) 2р-оболочка иона кислорода полностью заполнена и, несмотря на перекрытие волновых функций (р-орбиталей O2-и d-орбиталей Fe3+), обменное взаимодействие отсутствует. В возбуждённом состоянии (б) один из р-электронов кислорода переходит на 3d-оболочку иона железа. По правилу Хунда, перейти должен тот электрон, спин к-рого антипараллелен спинам электронов в наполовину заполненной оболочке иона Fe3+. Оставшийся на 2р-оболочке электрон за счёт отрицательного обменного взаимодействия ориентирует спины электронов соседнего иона железа так, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая косвенное обменное взаимодействие в системе Fe3+—О2-—Fe3+: a — основное состояние; б — возбуждённое состояние.

В результате возникает косвенное обменное антиферромагнитное взаимодействие между катионами железа; Изложенная схема относится лишь к одной из возможных моделей косвенного обмена. Существуют и др., более сложные модели. Интенсивность косвенного взаимодействия растёт с увеличением перекрытия электронных оболочек анионов и катионов, т. е. с усилением ковалентной связи. Т. к. ковалентные связи не явл. центрально симметричными, то и косвенное обменное взаимодействие достигает часто макс. значения, когда три взаимодействующих иона не находятся на одной прямой.

При высоких темп-рах, когда энергия теплового движения много больше обменной энергии, в-во обладает парамагн. св-вами (см. ПАРАМАГНЕТИЗМ). Температурная зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков, в к-рых при низких темп-рах возникает Ф., обладает характерными особенностями, показанными на рис. 3. Величина, обратная восприимчивости, у таких в-в следует Кюри — Вейса закону с отрицат. константой q=D при высоких темп-рах, а при понижении темп-ры Т эта величина круто спадает, стремясь к нулю при T®q.

Рис. 3. Температурная зависимость величины, обратной магн. восприимчивости, 1/c: 1 — парамагнетика с c=С/Т; 2 — ферромагнетика с c=С/(Т-q); 3 — антиферромагнетика с c=С/(T+q); 4 — ферримагнетика.

В Кюри точке q, когда энергия обменного взаимодействия становится равной энергии теплового движения в в-ве, возникает ферримагн. упорядоченность. В большинстве случаев переход в упорядоченное состояние является фазовым переходом II рода и сопровождается характерными аномалиями темплоёмкости, линейного расширения, гальваномагнитных и др. св-в.

Возникающая ферримагн. упорядоченность атомных магн. моментов описывается определённой магн. структурой, т. е. разбиением кристалла на магн. подрешётки, величиной и направлением векторов намагниченностей подрешёток. Магн. структура может быть определена методами нейтронографии. Образование той или иной магн. структуры зависит от крист. структуры в-ва и соотношения величин обменных взаимодействий между разл. магн. ионами. Обменное взаимодействие определяет только ориентацию векторов намагниченности подрешёток друг относительно друга. Др. их параметр — ориентация относительно осей кристалла — определяется энергией магнитной анизотропии, к-рая на неск. порядков меньше обменной энергии.

Существование в ферримагнетике нескольких разл. подрешёток приводит к более сложной температурной зависимости спонтанной намагниченности J, чем в обычном ферромагнетике. Это связано с тем, что зависимости J(T) для подрешёток могут различаться (рис. 4). В результате самопроизвольная намагниченность, являющаяся в простейшем случае разностью намагниченностей двух подрешёток, с ростом темп-ры от абс. нуля может: 1) убывать монотонно (рис. 4, а), как в обычном ферромагнетике; 2) возрастать при низких темп-рах т в дальнейшем проходить через максимум (рис. 4, б); 3) обращаться в нуль при нек-рой фиксированной темп-ре qк. Темп-ру qк наз. точкой компенсации. При T?qк самопроизвольная намагниченность отлична от нуля.

Впервые теоретич. описание св-в ферримагнетиков было дано Л. Неелем (1948) в рамках теории молекулярного поля. Оказалось, что теория молекулярного поля может объяснить гораздо больше св-в ферримагнетиков, чем металлич. ферромагнетиков (значение величины Js при Т=0, закон Кюри — Вейса при T>q и др.). К ферримагнетикам применима также и теория спиновых волн. В согласии с этой теорией намагниченность многих ферримагнетиков при низких темп-рах следует закону Блоха:

Js=Js0(1-aТ3/2),

где а — константа, Js0— значение Js при Т=0.

Магн. теплоёмкость ферримагнетиков растёт по закону=T3/2.

Ферримагнетики в не очень сильных магн. полях (много меньше обменных) ведут себя так же, как ферромагнетики (см. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ), т. к. такие магн. поля не изменяют магн. структуры. В отсутствие поля они разбиваются на домены, имеют характерную намагничивания кривую С насыщением и гистерезисом. В них наблюдается магнитострикция. В ферримагнетиках с неколлинеарными магн. структурами при доступных эксперименту значениях магн. поля насыщение обычно не наблюдается.

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

Особыми магн. св-вами ферримагнетики обладают вблизи точки компенсации. В самой точке компенсации магн. св-ва ферримагнетика подобны св-вам антиферромагнетика. В магн. полях, больших поля опрокидывания (для кубич. решётки =1 кЭ), магн. моменты подрешёток устанавливаются перпендикулярно полю и намагничивание происходит путём скашивания подрешёток в направлении поля. В непосредственной окрестности qк поведение ферримагнетика оказывается более сложным. Но и здесь также слабые магн. поля вызывают взаимный скос и опрокидывание подрешёток. Вдали от точки компенсации такие изменения магн. структуры происходят в сильных (порядка обменных) полях.

Огромное большинство ферримагнетиков явл. диэлектриками или полупроводниками. С этим связаны возложности их практич. применения в ВЧ- и СВЧ-устройствах, т. к. в них ничтожно малы потери на вихревые токи в переменных эл.-магн. полях даже очень высокой частоты (см. ФЕРРИМАГНЕТИК, ФЕРРИТЫ).

ферримагнети́зм

магнитоупорядоченное состояние вещества (ферримагнетика), в котором магнитные моменты существующих в кристалле подрешёток магнитных взаимно не скомпенсированы и создают спонтанный магнитный момент М_s≠0 (нескомпенсированный антиферромагнетизм). Во внешнем магнитном поле ферримагнетик намагничивается подобно ферромагнетику. У некоторых ферримагнетиков существует температурная точка компенсации, в ней M_s = 0. При температуре выше Кюри точки ферримагнетизм исчезает.

* * *

ФЕРРИМАГНЕТИ́ЗМ, магнитоупорядоченное состояние вещества (ферримагнетика), в котором магнитные моменты существующих в кристалле подрешеток магнитных(см. ПОДРЕШЕТКА МАГНИТНАЯ) взаимно не скомпенсированы и создают спонтанный магнитный момент M_s № 0 (нескомпенсированный антиферромагнетизм). Во внешнем магнитном поле ферримагнетик намагничивается подобно ферромагнетику. У некоторых ферримагнетиков существует температурная точка компенсации, когда M_s = 0. При температуре выше Кюри точки(см. КЮРИ ТОЧКА) ферримагнетизм исчезает.

магнитоупорядоченное состояние кристаллич. в-ва (ферримагнетика), при к-ром элементарные магнитные моменты ионов, входящих в состав в-ва, образуют две или большее число упорядоч. подсистем - магнитных подрешёток. Каждая из подрешёток содержит ионы одного сорта с одинаково ориентиров, магнитными моментами. Магнитные моменты разных подрешёток направлены антипараллельно или более сложным образом, причём они не компенсируют друг друга, так что ферримагнетик обладает спонтанной намагниченностью (нескомпенсиров. антиферромагнетизм). При темп-pax выше нек-рой предельной (точки Кюри) ферримагнетик переходит в парамагнитное состояние. Типичные представители ферримагнетиков - ферриты. Магнитные св-ва ферримагнетиков близки к св-вам ферромагнетиков (они обладают доменной структурой, высокой магнитной проницаемостью, гистерезисом намагничивания, магнитострикцией и т. п.). По электрич. св-вам ферримагнетики относятся в осн. к диэлектрикам или ПП.

ФЕРРИМАГНЕТИЗМ — магнитоупорядоченное состояние вещества (ферримагнетик),