Типы магнитного упорядочения

Выявлено много типов упорядоченного расположения магнитных моментов атомов, что связано со сложной зависимостью обменного интеграла от строения взаимодействующих атомов, расстояния между ними, а также от взаимного расположения ближайших соседей взаимодействующих атомов в трехмерной кристаллической решетке. Рассмотрим сначала случай атомов одного типа.

Величина обменного интеграла может быть положительной для ближайших соседей, что соответствует наиболее выгодной параллельной ориентации спинов и случаю ферромагнетизма (см. рис. 5.2 а), либо отрицательной, что соответствует наиболее выгодной антипараллельной ориентации спинов и случаю антиферромагнетизма (см. рис. 5.2 б). Ферромагнетики и антиферромагнетики являются самыми простыми случаями магнитно- упорядоченнных веществ. Самыми известными ферромагнетиками являются железо (с ОЦК решеткой) и никель (с ГЦК решеткой), а самыми известными антиферромагнетиками - хром и марганец. По рис. 5.2 (а, б) видно, что намагниченность ферромагнетика - значительная величина, а намагниченность антиферромагнетика близка к нулю.

Рис. 5.2. Типы упорядоченного расположения спинов для случаев а) ферромагнетика, б) антиферромагнетика, в) ферримагнетика

В случае разных значений магнитных моментов атомов магнитные моменты отдельных атомов могут быть ориентированы антипараллельно, но иметь различную величину (см. рис. 5.2 в), что соответствует случаю ферримагнетизма. Намагниченность ферримагнетика, часто называемого "феррит", - значительная величина, хотя и несколько меньшая, чем для типичных ферромагнетиков.

Для некоторых химических соединений возможно сложное взаимное расположение магнитных моментов, что наблюдается во многих магнитных материалах, например спиралеобразное расположение магнитных моментов. Такие и более сложные структуры подробно рассматриваются в книгах [5-8].

В случае сплавов, в которых атомы с различными магнитными моментами хаотически перемешаны, тип магнитного упорядочения может меняться при изменении состава, так как в таком случае меняется среднее расстояние между атомами одного типа и связанная с ним величина обменного интеграла. Примерами могут служить сплавы . Чистый марганец является антиферромагнетиком из-за отрицательности обменного интеграла при существующих межатомных расстояниях в марганце. Добавление алюминия увеличивает расстояния между атомами , из-за чего обменный интеграл становится положительным при определенном расстоянии между атомами , определяемой концентрацией в сплаве. Тогда происходит преимущественное упорядочение магнитных моментов по ферромагнитному типу. Подробно магнитные свойства сплавов рассмотрены в [9-10].

Методы исследования магнитного упорядочения. Самым информативным методом изучения ориентаций спинов в кристалле в настоящее время является рассеяние нейтронов. Как известно (см. [6] и главу 1), нейтрон обладает магнитным моментом и поэтому способен взаимодействовать с магнитными моментами атомов. Также нейтрон способен рассеиваться на ядрах без изменения своей энергии. Поэтому дифракцию нейтронов используют для изучения ориентации спинов. Амплитуда рассеяния нейтронов каждого атома состоит из двух слагаемых: ядерного и магнитного. Первое - зависит от структуры ядра и отличается для различных изотопов. Второе - зависит от величины и ориентации магнитного момента атома , при взаимно перпендикулярной ориентации вектора рассеяния (см. разд. 1.3) и оно - максимально, при параллельной ориентации и - оно равно нулю. Таким образом можно "отключать" магнитное рассеяние, намагнитив в направлении вектора рассеяния кристалл. При различных ориентировках вектора относительно можно получать серии дифракционных картин, из которых удается выделить вклады от "магнитной" и "ядерной" систем.

В случае ферромагнитного упорядочения все атомы будут иметь одинаковую амплитуду рассеяния, и картина дифракции, как нейтронов, так и рентгеновских лучей будут идентичными.

В случае антиферромагнитного упорядочения магнитные моменты ближайших атомов будут иметь противоположную ориентацию, тогда магнитный вклад в амплитуду рассеяния будет иметь противоположные знаки, следовательно амплитуды рассеяния соседних атомов будут различными. Тогда (см. разд. 1.3) должны появиться дополнительные "сверхструктурные магнитные" отражения, подобные тем, что наблюдаются при атомном упорядочении (см. разд. 1.3).

Определим, например, какие появятся дополнительные "магнитные" отражения для гипотетической структуры, расположение магнитных моментов атомов в которой показано на рис. 5.3. В "химическом" отношении изображенная элементарная ячейка - кубическая ОЦК, для такой структуры отражения с нечетной суммой индексов отсутствуют (см. разд. 1.3). Но в магнитном отношении атомы 1 и 2 - разные, разные и их амплитуды рассеяния, тогда должны появиться сверхструктурные отражения с нечетной суммой индексов.

Рис. 5.3. Расположение магнитных моментов атомов в гипотетической структуре с ОЦК решеткой с антиферромагнитным упорядочением

Окись марганца , подробно рассмотренная в [5, 7], является примером реальной структуры антиферромагнетика (см. рис. 5.4), в которой магнитные моменты меняют свою ориентацию "послойно" в плоскости типа (111). См. также задачу 5.1.

Рис. 5.4. Расположение магнитных моментов атомов марганца в структуре окиси марганца с антиферромагнитным упорядочением. Спины атомов имеют одинаковую ориентацию в одной плоскости типа (111), противоположную в соседней и так далее. В таком случае ориентации спинов атомов - ближайших соседей оказываются противоположно направленными