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).