антиферромагнетизм

антиферромагнети́зм

магнитоупорядоченное состояние кристаллического вещества, в котором магнитные моменты всех или части атомов (ионов) в соседних узлах кристаллической решётки ориентированы так (как правило, антипараллельно), что намагниченность вещества в целом равна нулю. Под действием внешнего магнитного поля антиферромагнетики приобретают слабую намагниченность. Повышение температуры до Нееля точки приводит к потере намагниченности и переходу в парамагнитное состояние (см. Парамагнетизм).

* * *

АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМ

АНТИФЕРРОМАГНЕТИ́ЗМ, магнитоупорядоченное состояние кристаллического вещества, в котором магнитные моменты всех или части атомов (ионов) в соседних узлах кристаллической решетки (см. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА) ориентированы так (как правило, антипараллельно), что намагниченность вещества в целом равна нулю. Ось, вдоль которой направлены антиферромагнитно-упорядоченные моменты, называется осью антиферромагнетизма. Вещества, в которых проявляется антиферромагнетизм, называются антиферромагнетиками (см. АНТИФЕРРОМАГНЕТИК).
Антиферромагнетизм был открыт при изучении свойств парамагнетиков (см. ПАРАМАГНЕТИК) при низких температурах. Парамагнетики в магнитном поле намагничиваются так, что направление намагниченности совпадает с направлением поля. Антиферромагнетизм проявляется при низких температурах. Повышение температуры до температуры Т_N — точки Нееля (см. НЕЕЛЯ ТОЧКА) — приводит к потере намагниченности и переходу вещества в парамагнитное состояние (см. Парамагнетизм (см. ПАРАМАГНЕТИЗМ)).
Вид магнитного упорядочения характеризуется магнитной структурой, для описания которой используется симметрия магнитная (см. СИММЕТРИЯ МАГНИТНАЯ). Элементарная ячейка магнитная (см. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЯЧЕЙКА МАГНИТНАЯ) антиферромагнитного кристалла может совпадать с кристаллографической, а может быть кратной ей. Магнитная структура оксида марганца, кристаллизующегося в решетке NaCl (См. Структурные типы кристаллов (см. СТРУКТУРНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ)), формируется магнитоактивными ионами марганца, имеющими противоположно направленные магнитные моменты, и образующими две вставленные друг в друга кубические подрешетки. В случае антиферромагнетизма во все подрешетки входят магнитные ионы одинакового сорта. Суммарная намагниченность такого кристалла при отсутствии внешнего поля равна нулю.
За создание антиферромагнитного порядка и определенную ориентацию магнитных моментов ионов относительно кристаллографических осей ответственны два рода сил: за порядок — силы обменного взаимодействия (электрической природы), за ориентацию — силы магнитной анизотропии.
Под действием внешнего магнитного поля антиферромагнетики приобретают слабую намагниченность. Скомпенсированный антиферромагнетизм имеет место при полной компенсации магнитного момента, то есть когда результирующая намагниченность кристалла равна нулю. Нескомпенсированный антиферромагнетизм называется ферримагнетизмом (см. ФЕРРИМАГНЕТИЗМ).
Наиболее простое магнитное поведение наблюдается у антиферромагнитных окислов (МnО, СоО, FeО) и хлоридов Fe, Co и Ni. Некоторые 3d-элементы (Сr, -Mn) и 4f-элементы (Pr, Nd и др.) имеют более сложные антиферромагнитные структуры, для описания которых недостаточно модели двух подрешеток. Известны не только коллинеарные, но и более сложные антиферромагнитные структуры. В некоторых антиферромагнетиках векторы намагниченности могут быть направлены по сторонам треугольника или по четырем пространственным диагоналям куба, а такие структуры антиферромагнетиков, как геликоидальные или синусоидальные, нельзя описать с помощью разбиения на подрешетки.
Объяснение перехода вещества из парамагнитное в антиферромагнитное состояние было предложено Л. Д. Ландау (см. ЛАНДАУ Лев Давидович) и Л. Неелем (см. НЕЕЛЬ Луи Эжен Феликс) в рамках модели обменного взаимодействия (см. ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ). Кроме того, Л.Д. Ландау показал, при каких условиях происходит переход вещества в антиферромагнитное состояние. Сущность этого перехода состоит в следующем. При температурах выше точки Нееля энергия теплового движения (kТ) больше энергии обменного взаимодействия (mH_E) ( где m — атомный магнитный момент, H_E — эффективное поле обменного взаимодействия) и вещество обладает парамагнитными свойствами. При температуре Т = Т_N (в точке Нееля) обменная энергия становится равной тепловой и вещество переходит в антиферромагнитное состояние. Такой переход является фазовым переходом 2 рода (см. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ВТОРОГО РОДА). Особенность этого перехода состоит в плавном (без скачка), но очень резком нарастании среднего значения магнитного момента каждого иона вблизи температуры T_N. Одновременно возрастает удельная теплоемкость, изменяются коэффициенты теплового расширения, модули упругости и ряд других величин.
В квантовой теории антиферромагнетизма для объяснения поведения антиферромагнетиков при низких температурах используют теорию спиновых волн – колебаний векторов магнитных моментов ионов, находящихся в узлах подрешеток. В некоторых веществах комбинация обмена и спин-орбитального взаимодействия приводит к тому, что магнитные моменты подрешеток становятся не строго антипараллельны, вследствие чего возникает слабый ферромагнитный момент M. Такие магнетики называют слабыми ферромагнетиками (см. ФЕРРОМАГНЕТИК). К их числу относятся редкоземельные ортоферриты (см. ОРТОФЕРРИТЫ) (TbFeO₃), гематит Fe₂O₃, CoCO₃ и др.