Составители:
Рубрика:
6
структуры, для описания которых недостаточно модели двух подрешеток. Недавно обнаружен антиферромагнетизм в
полупроводниках (халькогениды Mn, Cr, Eu и Gd). В последнее время вызывают значительный интерес
антиферромагнитные редкоземельные ферриты-гранаты, в которых ионы железа замещены алюминием и галлием
(Dy
3
Al
5
O
12
и Dy
3
Ga
5
O
12
). В них наблюдаются трансформации антиферромагнитной структуры при действии
магнитного поля. Эти соединения представляют интерес в качестве магнитных хладоагентов для получения низких
температур методом магнитного охлаждения в магнитных холодильных машинах.
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. Слабый ферромагнетизм
антиферромагнетиков был открыт и объяснен А.С. Боровиком-Романовым и И.Е. Дзялошинским. К их числу
относятся редкоземельные ортоферриты (TbFeO
3
), гематит Fe
2
O
3
, CoCO
3
и др.
5. Ферримагнитное упорядочение. Ферримагнетик, так же как и антиферромагнетик, состоит из двух
ферромагнитных подрешеток, магнитные моменты которых ориентированы навстречу друг другу (рис. 9, а). Однако в
отличие от антиферромагнетиков эти магнитные моменты не равны друг другу, в результате чего образуется
результирующая спонтанная намагниченность, которая исчезает выше температуры Кюри Т
C
. Различие магнитных
моментов подрешеток обусловлено тем, что подрешетки образуются из ионов разных элементов либо из ионов одного
и того же элемента, но с разной валентностью. Интересно отметить, что магнетит Fe
3
О
4
, первое сильномагнитное
вещество, известное в глубокой древности, является ферримагнетиком. Одна подрешетка магнетита образована
узлами кристаллической решетки с тетраэдрическим кристаллическим окружением, в которых располагаются ионы
Fe
3+
, другая подрешетка - узлами с октаэдрическим окружением, занятыми в равной доле ионами Fe
2+
и Fe
3+
. Таким
образом, спонтанная намагниченность ферримагнетика равна разности намагниченностей подрешеток I
a
и I
b
b
a
JJ J
=
− . (10)
В случае магнетита |I
b
| > |I
a
| и кривая температурной зависимости I
s
(T) напоминает аналогичную кривую для
ферромагнетика. Однако существуют ферримагнетики, в которых магнитные моменты ионов в разных подрешетках
находятся в неодинаковых эффективных обменных полях, что приводит к сильно различающейся температурной
зависимости намагниченностей подрешеток I
b
(Т) и I
a
(Т). Например, в ферритах-гранатах с общей формулой R
3
Fe
5
O
12
(для R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) существует температура (ниже точки Кюри Т
C
), где магнитные моменты подрешеток
редкой земли I
R
и железа I
Fe
компенсируют друг друга, в результате чего спонтанная намагниченность обращается в
ноль (рис. 2, б). Эта температура называется температурой магнитной компенсации Т
comp
.
В этих соединениях обменное поле H
R
, действующее на ионы редких земель, значительно меньше, чем обменное
поле, действующее на ионы железа H
Fe
. Вследствие этого тепловое движение преодолевает ориентирующее действие
H
R
на магнитные моменты редких земель при температуре более низкой, чем температура Кюри Т
C
. При Т = T
C
тепловое движение преодолевает в основном ориентирующее действие обменного поля H
Fe
на магнитные моменты
атомов железа. Например, в феррите-гранате гадолиния редкоземельная подрешетка сильно разупорядочивается в
основном при
H
T 100K , в то время как подрешетка железа – при
C
T 550K В результате намагниченность I
R
с
температурой падает очень резко уже при
H
T 100K в то время как I
Fe
начинает сильно уменьшаться только при
C
T T 550K≡= . При Т = T
comp
происходит магнитная компенсация I
R
= I
Fe
·T
comp
существует не только в ферритах-
гранатах, но и в металлических ферримагнитных соединениях ErFe
2
, ErFe
3
и др.
В рассмотренных ферримагнетиках I
R(0)
> I
Fe(0)
при Т = 0 К. Однако в ряде соединений, например Tm
6
Fe
23
, при всех
температурах I
R(0)
< I
Fe(0)
. В этом случае магнитной компенсации не наблюдается. Спонтанная намагниченность I = I
Fe
- I
R
при возрастании температуры от Т = 0 К сильно увеличивается в некотором интервале, что необычно по
s
J
0
comp
T
T
a)
б)
Рис. 9. – ферримагнитная структура; б – температурная зависимость спонтанной намагниченности для
ферримагнетика с температурой магнитной компенсации
c
T
6
структуры, для описания которых недостаточно модели двух подрешеток. Недавно обнаружен антиферромагнетизм в
полупроводниках (халькогениды Mn, Cr, Eu и Gd). В последнее время вызывают значительный интерес
антиферромагнитные редкоземельные ферриты-гранаты, в которых ионы железа замещены алюминием и галлием
(Dy3Al5O12 и Dy3Ga5O12). В них наблюдаются трансформации антиферромагнитной структуры при действии
магнитного поля. Эти соединения представляют интерес в качестве магнитных хладоагентов для получения низких
температур методом магнитного охлаждения в магнитных холодильных машинах.
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. Слабый ферромагнетизм
антиферромагнетиков был открыт и объяснен А.С. Боровиком-Романовым и И.Е. Дзялошинским. К их числу
относятся редкоземельные ортоферриты (TbFeO3), гематит Fe2O3, CoCO3 и др.
5. Ферримагнитное упорядочение. Ферримагнетик, так же как и антиферромагнетик, состоит из двух
ферромагнитных подрешеток, магнитные моменты которых ориентированы навстречу друг другу (рис. 9, а). Однако в
отличие от антиферромагнетиков эти магнитные моменты не равны друг другу, в результате чего образуется
результирующая спонтанная намагниченность, которая исчезает выше температуры Кюри ТC . Различие магнитных
моментов подрешеток обусловлено тем, что подрешетки образуются из ионов разных элементов либо из ионов одного
и того же элемента, но с разной валентностью. Интересно отметить, что магнетит Fe3О4, первое сильномагнитное
вещество, известное в глубокой древности, является ферримагнетиком. Одна подрешетка магнетита образована
узлами кристаллической решетки с тетраэдрическим кристаллическим окружением, в которых располагаются ионы
Fe3+, другая подрешетка - узлами с октаэдрическим окружением, занятыми в равной доле ионами Fe 2+ и Fe3+. Таким
образом, спонтанная намагниченность ферримагнетика равна разности намагниченностей подрешеток I a и Ib
J = Jb − Ja . (10)
В случае магнетита |Ib| > |Ia| и кривая температурной зависимости Is(T) напоминает аналогичную кривую для
ферромагнетика. Однако существуют ферримагнетики, в которых магнитные моменты ионов в разных подрешетках
находятся в неодинаковых эффективных обменных полях, что приводит к сильно различающейся температурной
зависимости намагниченностей подрешеток Ib(Т) и Ia(Т). Например, в ферритах-гранатах с общей формулой R3Fe5O12
(для R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) существует температура (ниже точки Кюри ТC), где магнитные моменты подрешеток
редкой земли IR и железа IFe компенсируют друг друга, в результате чего спонтанная намагниченность обращается в
ноль (рис. 2, б). Эта температура называется температурой магнитной компенсации Тcomp .
a) б)
Js
0
Tcomp Tc T
Рис. 9. ферримагнитная структура; б температурная зависимость спонтанной намагниченности для
ферримагнетика с температурой магнитной компенсации
В этих соединениях обменное поле HR, действующее на ионы редких земель, значительно меньше, чем обменное
поле, действующее на ионы железа HFe . Вследствие этого тепловое движение преодолевает ориентирующее действие
HR на магнитные моменты редких земель при температуре более низкой, чем температура Кюри Т C . При Т = TC
тепловое движение преодолевает в основном ориентирующее действие обменного поля HFe на магнитные моменты
атомов железа. Например, в феррите-гранате гадолиния редкоземельная подрешетка сильно разупорядочивается в
основном при TH 100K , в то время как подрешетка железа при TC 550K В результате намагниченность IR с
температурой падает очень резко уже при TH 100K в то время как IFe начинает сильно уменьшаться только при
T ≡ TC = 550K . При Т = Tcomp происходит магнитная компенсация IR = IFe·Tcomp существует не только в ферритах-
гранатах, но и в металлических ферримагнитных соединениях ErFe2, ErFe3 и др.
В рассмотренных ферримагнетиках IR(0) > IFe(0) при Т = 0 К. Однако в ряде соединений, например Tm6Fe23, при всех
температурах IR(0) < IFe(0) . В этом случае магнитной компенсации не наблюдается. Спонтанная намагниченность I = I Fe
- IR при возрастании температуры от Т = 0 К сильно увеличивается в некотором интервале, что необычно по
