Магнитное упорядочение (упорядоченное пространственное расположение магнитных моментов) наиболее изучено в твердых телах, обладающих дальним порядком в расположении атомов и кристаллической решеткой, в узлах которой периодически располагаются атомы с магнитными моментами. Физики и материаловеды интенсивно изучают также физические (в том числе и магнитные) свойства аморфных материалов, где существует только ближний порядок в расположении атомов. К ним относятся, в частности, металлические сплавы, получаемые быстрой закалкой из жидкого состояния (металлические стекла). Аморфная структура этих материалов характеризуется неупорядоченным расположением атомов, что приводит иногда к сильным изменениям их магнитных и других физических свойств по сравнению с их кристаллическими аналогами. В статье рассмотрены особенности магнитных свойств магнитоупорядоченных веществ в связи с особенностями атомной структуры как кристаллических, так и аморфных веществ.
Простейшая интерпретация физических механизмов, ответственных за упорядоченное пространственное расположение магнитных атомных моментов в твердых телах, основывается на следующих представлениях. Прежде всего надо отметить, что необходимым условием такого упорядочения является наличие у атомов собственных магнитных моментов, благодаря чему возможно образование спонтанного магнитного момента даже при отсутствии магнитного поля. В магнетиках, где существуют только магнитные моменты, локализованные на атомах, магнитный момент образца M складывается из магнитных моментов атомов  (i - номер атома)
 |
(1) |
где суммирование ведется по всем магнитным атомам. Намагниченность есть магнитный момент единицы объема V
 |
(2) |
Часто рассматривают удельную намагниченность  - магнитный момент на 1 г вещества. Внешнее магнитное поле создает дополнительную намагниченность за счет ориентации магнитных моментов и индуцирования диамагнитного момента. Эта намагниченность складывается со спонтанной. Кроме того, магнитное поле может деформировать и даже разрушать магнитную структуру.
В общем случае намагниченность образца не может быть получена как сумма магнитных моментов изолированных и невзаимодействующих ионов, поскольку в металлах и сплавах большую роль играет коллективизация электронов, которые образуют магнитный момент электронной подсистемы. В кристаллических и аморфных веществах сильное взаимодействие между электронами внешних (или валентных) оболочек соседних атомов приводит к образованию энергетической зоны делокализованных электронных состояний.
Делокализованные электроны вносят существенный вклад в результирующую намагниченность. Электронные подоболочки элементов группы железа (с незаполненной 3d-подоболочкой) и группы лантанидов - редких земель (с незаполненной 4f-подоболочкой) в разной мере подвергаются воздействию соседних ионов. 4f-подоболочка экранирована вышележащими электронными слоями 5s25p6 от действия электростатических полей окружающих ионов и сравнительно слабо изменяется, то есть сохраняет свои атомные и магнитные характеристики (за исключением некоторых легких редкоземельных ионов). 3d-подоболочка слабо экранирована, и для электронных плотностей 3d-электронов существует в кристаллической решетке заметное перекрытие с электронными плотностями окружающих электронов. В кристаллических и аморфных металлах и сплавах 3d-элементы, как правило, не сохраняют свои атомные магнитные моменты, характерные для изолированных атомов и ионов.
В случае изоляторов и полупроводников коллективизация 3d-электронов выражена не столь резко, однако большую роль приобретают эффекты, обусловленные действием кристаллических полей на электронные состояния, в результате чего энергетические уровни 3d-электронов расщепляются. В нормальном (основном) состоянии заняты нижние энергетические уровни и 3d-ион может иметь различные значения магнитного момента в зависимости от своего атомного окружения в кристаллической решетке. Некоторые ионы редких земель (особенно легкие, такие, как церий) также обнаруживают изменение величины магнитного момента иона при действии электростатических полей, создаваемых окружающими ионами. Таким образом, в кристаллических и аморфных веществах природа магнитных моментов, обусловленных 3d- и 4f-ионами, сложна и многообразна.
Величина намагниченности, измеренной при определенной температуре, зависит не только от значений атомных магнитных моментов, но и от взаимодействий между ними. Магнитного взаимодействия магнитных моментов недостаточно, чтобы объяснить наблюдающиеся на опыте значения температур Кюри ферромагнетиков. Теплового движения при температурах в десятые доли Кельвина уже достаточно, чтобы разрушить магнитное упорядочение за счет магнитного взаимодействия.
Другое необходимое условие магнитного упорядочения заключается в наличии в твердых телах обменного взаимодействия [Вонсовский С.В., 1984]. Оно является частью электростатического взаимодействия, зависящего от ориентации спинов взаимодействующих электронов. Обменное взаимодействие возникает благодаря квантовомеханическим эффектам и изменяется с расстоянием между магнитными ионами. Взаимное геометрическое расположение ионов также оказывает влияние на его величину.
В. Гейзенберг получил общее выражение для энергии обменного взаимодействия
 |
(3) |
где Si и Sj - спины взаимодействующих электронов, а Аij - обменный интеграл, зависящий от расстояний между электронами rij . Суммирование ведется по всем спинам i и j, входящим в систему.
На магнитный момент иона как в кристаллическом, так и в аморфном магнетике действует также электростатическое поле, создаваемое окружающими ионами. Это поле называют локальным кристаллическим полем. Оно создает локальную ось легкого намагничивания, вдоль которой и располагается магнитный момент. В простейшем случае энергия спина в этом поле (энергия локальной магнитной анизотропии) имеет вид
где D - константа локальной магнитной анизотропии, а Sz - проекция спина иона на направление локальной оси z.
Суммарная энергия обменных взаимодействий и энергий локальной анизотропии получится суммированием соотношений (3) и (4)
 |
(5) |
В кристаллическом веществе ось легкого намагничивания совпадает с одним из кристаллографических направлений, в аморфном - локальные оси легкого намагничивания разбросаны по всем направлениям беспорядочно.
Из соотношения (5) следует, что соответствующая минимуму энергии магнитная структура - взаимная ориентация спинов будет определяться величиной и знаком обменных интегралов и констант локальной анизотропии.
Обменное взаимодействие приводит к появлению некоторого эффективного обменного поля, которое ниже определенной температуры ТC преодолевает дезориентирующее действие теплового движения. В результате при Т < ТC возникает кооперативный эффект - магнитное упорядочение. Эту температуру ТC называют температурой магнитного упорядочения. Магнитное упорядочение характеризуется упорядоченным расположением магнитных моментов атомов, которое возникает при Т < ТC даже при отсутствии внешнего магнитного поля. В этом состоит отличие кооперативного магнетизма от некооперативного (парамагнетизм и диамагнетизм), где магнитные моменты ионов ведут себя совершенно независимо.
Назад | Вперед
Написать комментарий
|
