Билет 10-1 Доменная структура ферромагнетиков

Доменная структура ферромагнетиков.

Классическая теория ферромагнетизма была развита французским физиком П.Вейсом (1907 г.). Согласно этой теории, весь объем ферромагнитного образца, находящегося при температуре ниже точки Кюри, разбит на небольшие области – домены,– которые самопроизвольно намагничены до насыщения. Название происходит от франц. domaine – владение, область. Линейные размеры доменов порядка 10^-3-10^-2см. В каждом домене атомные магнитные моменты спонтанно ориентированы в одном направлении. Это обусловлено параллельным выстраиванием спинов определенных электронов в каждом атоме ферромагнетика. В пределах достаточно большого объема, т.е. домена, который содержит миллионы атомов, спины и магнитные моменты всех атомов направлены одинаково. Если бы можно было заглянуть внутрь кристалла и увидеть векторы магнитных моментов атомов, то картина была бы подобна картине, изображенной на рис.2.12.

В
размагниченном образце в отсутствие внешнего магнитного поля каждый домен имеет свою ориентацию, отличную от «соседей». Поскольку в образце в среднем одинаково представлены все направления, результирующая намагниченность образца равна нулю (рис.2.13 а). Домены можно увидеть в микроскоп. Для этого достаточно покрыть поверхность ферромагнетика слоем суспензии, содержащей ферромагнитный порошок, например, тончайшую железную пыль. Из-за неоднородности магнитного поля частицы порошка осядут на границах доменов и обрисуют их контуры (рис.2.13 б).

Доменная структура позволяет объяснить наличие у ферромагнетиков явления гистерезиса. Если на размагниченный образец подействовать внешним магнитным полем, то домены, ориентированные по полю, будут находиться в наиболее выгодном положении. Некоторые домены, которые обладают “благоприятно” ориентированной намагниченностью, т.е. близкой по направлению к напряженности поля , в первую очередь будут стремиться принять направление поля и увеличиться за счет невыгодно ориентированных соседних доменов. Таким образом, увеличение вызывает медленное возрастание , Это объясняет ход нижней части кривой 0-1, на рис.5.10. Средняя часть кривой соответствует наиболее крутой зависимости от . Здесь наблюдается эффект Баркгаузена, который состоит в скачкообразном изменении намагниченности при монотонном изменении . Эффект Баркгаузена обусловлен тем, что имеющиеся в образце инородные включения и другие дефекты мешают плавному перемещению границ доменов при увеличении напряженности поля. В верхней части кривой 0-1 происходит поворачивание магнитных моментов «грубой силой», т.е. сильным внешним магнитным полем в направлении, параллельном полю. При уменьшении зависимость не идет обратно по тому же пути, потому что движение границ доменов частично необратимо, и мы наблюдаем гистерезис.

Доменная структура хорошо объясняет также наличие точки Кюри у ферромагнетиков. Неудивительно, что практически совершенный порядок в расположении магнитных моментов атомов при увеличении температуры должен нарушаться. Возрастающее тепловое движение атомов стремится разбросать магнитные моменты, что и происходит при температуре Кюри.

Итак, что же заставляет спины электронов ориентироваться в пределах домена в одном направлении и какая сила удерживает их в этом состоянии?

Для объяснения самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков необходимо предположить, что в них между носителями магнетизма – спинами электронов – существует взаимодействие, способное при температурах более низких, чем точка Кюри, обеспечить спонтанную намагниченность доменов. Естественно предположить, что между спиновыми и магнитными моментами электронов существует магнитное взаимодействие, подобное взаимодействию двух проводников с током. Однако расчеты показывают, что энергия такого взаимодействия оказывается весьма малой величиной, порядка 10^-23 Дж. Поэтому за счет магнитного взаимодействия невозможно образование самопроизвольной намагниченности. Я.Френкель и В.Гейзенберг (1928 г.) показали, что данное явление может быть следствием электрического взаимодействия электронов. Однако объяснение такого взаимодействия остается за пределами классической физики, поскольку само существование спина является «неклассическим» явлением. Электрическое взаимодействие электронов, приводящее к состоянию самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков, имеет квантовую природу и называется обменным взаимодействием. По причинам, объяснение которым дается в квантовой механике, спинам соседних атомов ферромагнетика более выгодно с энергетической точки зрения располагаться параллельно друг другу. Эта тенденция распространяется на многие атомы в пределах домена. Выбор одного из возможных направлений является делом случая.

Ферромагнетики широко применяются в различных областях науки, в промышленности, медицине. К примеру, на свойствах ферромагнетиков основано действие семеочистительной машины, служащей для очистки семян с гладкой поверхностью (клевера, льна, люцерны и др.) от семян сорняков с шероховатой поверхностью. Исходный материал смешивают с ферромагнитным порошком, обволакивающим шероховатые семена сорняков, которые благодаря этому притягиваются к электромагнитному барабану машины и затем удаляются.

блоха стенка

БЛОХА СТЕНКА (блоховская стенка, блоховская доменная граница) в широком смысле - область (слой) внутри магнитоупорядоченного вещества (ферромагнетика, ферримагнетика или слабого ферромагнетика), разделяющая смежные домены. Внутри этой области происходит поворот вектора намагниченности M от его направления в одном домене к направлению в соседнем домене (см. Магнитная доменная структура).

Поворот осуществляется при продвижении вдоль нормали к поверхности разделяющего слоя таким образом, что нормальная составляющая M остаётся непрерывной, т. е. на поверхности Б. с. не возникают магни-тостатич. полюсы. Этим Б. с. существенно отличается от др. доменных стенок, напр. неелевских (см. Доменная стенка).Впервые понятие о доменной стенке (в более узком смысле) ввёл Ф. Блох (F. Bloch, 1932), он рассмотрел слой ферромагнетика между соседними доменами, в пределах к-рого вектор M поворачивается на 180°, оставаясь параллельным плоскости слоя (180-

Схематическое изображение поворота вектора намагниченности М в 180-градусной блоховской стенке толщиной Плоскость стенки перпендикулярна оси x.

градусная Б. с., см. рис.). Определённые в более широком смысле Б. с. могут быть 90-градусными (напр., в Fe), 71- и 109-градусными (напр., в Ni) и др. Для сохранения непрерывности нормальной составляющей M при переходе через Б. с. в ряде случаев [напр., 90-градусные Б. с. в Fe, параллельные плоскости типа (111)] вектор M описывает поверхность кругового конуса.

Образование Б. с. влечёт за собой увеличение плотности обменной энергии и энергии анизотропии. Чем уже переходный слой, тем больше обменная энергия и меньше энергия анизотропии на его создание. В результате конкуренции обменного взаимодействия и магнитной анизотропии устанавливается равновесное распределение вектора M внутри Б. с. (микроструктура Б. с.).

В магнетиках с одноосной магн. анизотропией Б. с. является 180-градусной и поворот в ней вектора M описывается ф-лой где - угол между M и осью лёгкого намагничивания, х - расстояние вдоль нормали к Б. с., A - параметр обменного взаимодействия, К - константа анизотронии. Два знака () в ф-ле соответствуют двум типам Б. с. (Б. с. с противоположной полярностью), отличающимся направлением поворота M по часовой стрелке и против неё (право- и левовращающие относительно нормали к Б. с.).

Расстояние вдоль нормали к Б. с., на к-ром осуществляется поворот вектора M, наз. толщиной Б. с. Толщину 180-градусной стенки принимают равной

.

Плотность энергии Б. с. . Для Со А = 2,1*10^-11 Дж/м, К = 9*10⁵ Дж/м³, 150 и =4*10^-3 Дж/м².

В магнитомногоосном кристалле на микроструктуру Б. с. может влиять магнитоупругое взаимодействие,а в тонких плёнках - диполъ-диполъное взаимодействие.

В тонких плёнках магнитных микроструктура Б. с. более сложная, в частности распределение M может быть асимметричным относительно плоскости, нормальной к поверхности плёнки. Возможна также стыковка двух Б. с. с разной полярностью, что ведёт к образованию т. н. стенки с переменной полярностью. Переходный слой, образующийся в области стыковки, наз. блоховской линией (см. Блоха линия).

блоха линия

БЛОХА ЛИНИЯ (блоховская линия) - слой в доменной стенке (ДС) ферро- или ферримагнетика, в к-ром происходит изменение направления намагниченности при переходе от участка стенки (субдомена) с одной полярностью к участку с др. полярностью (напр., от левовращающей блоховской стенки к правовращающей; см. Блоха стенка).Термин введён де Блуа и Грэмом (R. W. de Blois, С. D. Graham; 1958). Б. л. наблюдаются только в тонких магнитных плёнках (методы наблюдения см. в ст.Магнитная доменная структура).В одной ДС может быть несколько Б. л., такую ДС наз. стенкой с переменной полярностью.

В магн. плёнках с доменами, в к-рых намагниченность ориентирована параллельно поверхности плёнки, образование Б. л. может быть выгодно энергетически. В этом случае поворот в ДС, происходящий

Схематическое изображение блоховской линии (1) в магнитоодноосных плёнках с осью лёгкого намагничивания, параллельной (а и б) и перпендикулярной (в) плоскости плёнки. Стрелками показана ориентация намагниченности M в доменах (3) и срединных плоскостях блоховских стенок (2) и линий, знаками + и - обозначены магнитостатические полюсы.

по часовой стрелке или против неё, приводит к образованию на поверхности плёнки (в пределах ДС) магнитостатич. полюсов (рис., а). С ними связана дополнит. энергия, к-рая может быть уменьшена, если в одной части ДС вектор M поворачивается по часовой стрелке, а в другой - против неё (рис., б). Переходный слой между указанными участками представляет собой Б. л. Существование Б. л. может быть связано также с предысторией магн. состояния плёнки или с динамич. преобразованием структуры стенки. Эти причины являются основными в плёнках с доменами, в к-рых намагниченность перпендикулярна поверхности плёнки (рис., в), напр. в плёнках материалов с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД-плёнках). Блоховские линии наз. вертикальными (изображены на рис., б и в) или горизонтальными, если они перпендикулярны (соответственно параллельны) поверхности плёнки. Термины введены А. Малозёмовым и Дж. Слонзуским (А. Р. Malozemoff, J. С. Slonczewsky; 1972). Возможны два типа энергетически эквивалентных Б. л., соответствующих двум противоположным направлениям вращения M - по часовой стрелке и против неё. Существуют также Б. л., смежные участки к-рых имеют противоположные полярности. В области перехода между этими участками возникает сингулярная блоховская точка (см. Блоха точка).

Б. л. обладают конечной толщиной L и энергией (рассчитывается на единицу длины линии). Для вертикальной блоховской линии в ЦМД-плёнке , где А -параметр обменного взаимодействия, M_S -намагниченность насыщения, К -константа одноосной магнитной анизотропии. С Б. л. связывают существование скоростей насыщения ДС, а также отклонение ЦМД от направления градиента магн. поля в процессе их движения.