АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМ

АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМ

       

магнито-упорядоченное состояние в-ва, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних ч-ц в-ва — ат. носителей магнетизма ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом в отсутствии магн. поля равна нулю. Этим А. отличается от ферромагнетизма, при к-ром одинаковая ориентация всех ат. магн. моментов приводит к высокой намагниченности тела.

До нач. 30-х гг. 20 в. по магн. св-вам все в-ва делили на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. У большинства парамагнетиков магнитная восприимчивость к растёт с понижением темп-ры Т обратно пропорц. Т (Кюри закон, см. кривую а на рис. 1). В 20 — 30-х гг. были обнаружены соединения (окислы и хлориды Mn, Fe, Co, Ni), обладающие иным видом зависимости c(T). У этих соединений на кривых c(Т) наблюдались максимумы (рис. 1, кривые бв и бг). Кроме того, ниже темп-ры максимума была обнаружена сильная зависимость к от ориентации кристалла в магн. поле. Если поле направлено, напр., вдоль гл. кристаллографич. оси, то значение c вдоль этого направления (c¦) убывает, стремясь к нулю при Т=0К. В направлениях, перпендикулярных этой оси, значение c+ не зависит от темп-ры (кривая д на рис. 1). На кривых температурной зависимости уд. теплоёмкости этих в-в также были обнаружены острые максимумы. Эти эксперим. факты указывали на перестройку внутр. структуры в-ва при определ. темп-ре.

В 1930-х гг. Л. Д. Ландау и франц. физик Л. Неель объяснили указанные выше аномалии переходом парамагнетика в новое состояние, названное антиферромагнитным. У парамагнетиков при высоких темп-pax благодаря интенсивному тепловому движению направление магн. моментов атомов (ионов) непрерывно беспорядочно меняется. Поэтому среднее по времени значение магн. момента действие теплового движения. В результате ср. магн. момент каждого иона становится отличным от нуля и принимает определ. значение и направление, в в-ве возникает магн. упорядочение (см. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ), Антиферромагн. упорядочение характеризуется тем, что ср. магн. моменты всех (или большей части) ближайших соседей любого иона направлены навстречу его собств. магн. моменту. Для этого обменное вз-ствие должно быть отрицательным (при ферромагнетизме обменное вз-ствие положительно и все магн. моменты направлены в одну сторону). В каждом антиферромагнетике устанавливается определ. порядок чередования магн. моментов (рис. 2, в и б).

Порядок чередования магн. моментов вместе с их направлением относительно кристаллографич. осей определяет антиферромагн. структуру в-ва (её изучают гл. обр. методами нейтронографии). Такую структуру можно представить как систему вставленных друг в друга пространств. решёток магн. ионов (подрешёток магнитных),

Рис. 1. Температурная зависимость магн. восприимчивости c: а — для парамагнетика, не претерпевающего перехода в упорядоченное состояние вплоть до самых низких темп-р (c=С/Т, где С — константа); б — для парамагнетика, переходящего в антиферромагн. состояние при Т=ТN (q<0 — константа в-ва); в — для поликристаллич антиферромагнетика; г — для монокристаллич. анти-ферромагнетика вдоль оси лёгкого намагничивания (c¦ ); д — для монокристаллич. антиферромагнетика в направлениях, перпендикулярных оси лёгкого намагничивания (c+).

Рис. 2. Магнитная структура: а — кубич. антиферромагнетика МnО (период аm магн. структуры в два раза больше периода а0 кристаллич. структуры); б — тетрагонального антиферромагнетика MnF2 (или CoF2). Узлы с одинаковым направлением магн. моментов образуют пространственную магн. Подрешётку, в узлах каждой из к-рых находятся параллельные друг другу магн. моменты. В антиферромагнетике каждая подрешётка состоит из магн. ионов одного сорта. Суммарные магн. моменты подрешёток компенсируются, поэтому антиферромагнетик в целом в отсутствии внеш. поля не имеет результирующего магн. момента. Под действием внеш. магн. поля антиферромагнетики подобно парамагнетикам приобретают слабую намагниченность. Для магн. восприимчивости c антиферромагнетиков типичны значения 10-4 — 10-6.

За создание антиферромагн. порядка и определ. ориентацию магн. моментов ионов относительно кристаллографич. осей ответственны два рода сил: за порядок — силы обменного вз-ствия (электрич. природы), за ориентацию — силы магнитной анизотропии. В А. обменные силы стремятся установить каждую пару соседних магн. моментов строго антипараллельно. Но они не могут предопределить направление магн. моментов подрешёток относительно кристаллографич. осей. Направление магнитных моментов в кристалле наз. осью А. или по аналогии с ферромагнетиками — осью лёгкого намагничивания и определяется силами магнитной анизотропии.

В соответствии с этими двумя типами сил при теор. описании А. вводят два эфф. магн. поля: обменное поле HE и поле анизотропии HA. Представление о том, что в антиферромагнетике действуют два эфф. магн. поля, позволяет объяснить мн. св-ва, в частности поведение антиферромагнетика в переменных внеш. магн. полях (см. АНТИФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС).

Переход из парамагн. состояния в антиферромагнитное при темп-ре Нееля ТN представляет собой фазовый переход II рода. Особенность этого перехода состоит в плавном (без скачка), но очень крутом нарастании ср. значения магн. момента каждого иона вблизи TN (рис. 3). Этим объясняются указанные выше аномалии вблизи ТN — возрастание уд. теплоёмкости, коэффициента теплового расширения, модулей упругости и ряда др. величин.

В сильных магн. полях при T

Рис. 3. Температурная зависимость ср. значения магн. момента

Изучение А. внесло существ. вклад в развитие совр. представлений о физике магн. явлений. Открыты новые типы магн. структур: слабый ферромагнетизм, геликоидальные структуры и др. (см. МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА АТОМНАЯ); обнаружены новые явления: пьезомагнетизм, магнето-электрический эффект; расширены представления об обменном и др. типах вз-ствия в магнетиках.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.