Антиферромагнетики. Структура и применение. Особенности

Антиферромагнетики – это особые вещества, в структуре которых магнитные моменты атомов располагаются определенным образом. В этих материалах спины электронов сориентированы в направлениях, противоположных один другому. Подобная ориентация характерна для соседних атомов, располагающихся попарно. В результате этого они отличаются сравнительно низким показателем магнитной восприимчивости и характеризуются как слабые парамагнетики.

Особенности структуры материалов

Антиферромагнетики относятся к группе материалов, атомы (ионы) которых обладают не полностью скомпенсированными магнитными моментами. Подобное положение обусловлено тем, что у них спины элементарных частичек, за счет обменного взаимодействия, приобретают особую ориентацию, отличную от того же показателя для ферромагнетиков.

Они «выстраиваются не в одном направлении, как это обычно бывает у ферритовых веществ, а навстречу друг другу. При этом расположенные поблизости спиновые моменты почти полностью взаимно компенсируются. Именно поэтому такие вещества не обладают значительной магнитной восприимчивостью km, которая по своей величине близка к аналогичному показателю для парамагнетиков.

Antiferromagnetiki 2

Как для антиферромагнетиков, так и для ферромагнетиков вводится предельная температура, которую называют «точкой Нееля» или ТН. При ее достижении порядок ориентации спинов нарушается, после чего исследуемый материал превращается в парамагнетик.

Среди известных химических элементов такими свойствами обладают:

Некоторые разновидности так называемого «твердого» кислорода.
Переходные металлы (марганец и хром, в частности).
Редкоземельные металлы и актиноиды.
Химические соединения CuO, FeO, NiO, Cr2O3, NiCr, Mn2O3, MnS о MnO.

Этот перечень может быть дополнен множеством других элементов и соединений.

Историческая справка

Первые упоминания об экспериментах, в которых использовались антиферромагнетики, приходятся на начало прошлого века (примерно 30-ые годы). Известно также, что гипотетически они обсуждались в специальной литературе еще в начале столетия (их автор – ученый П. Вейс). При изучении образцов переходных металлов, оксидов, а также хлоридов и бромидов ученый обнаружил, что кривая температурной зависимости восприимчивости для них имеет значение, отличное от привычных для парамагнетиков величин.

Пришлось признать, что по данному показателю эти вещества относятся к другой категории. В начале 1930-х годов. Л. Неель и Л. Д. Ландау нашли объяснение обнаруженному аномальному явлению. По их гипотезе при достижении критической температуры некоторые виды парамагнетиков переходят в совершенно новое состояние, которое характерно для антиферромагнетиков.

Окончательно подтвердить существование упорядоченного антиферромагнетизма удалось лишь в 1949 году, когда был применен метод упругого рассеяния медленных нейтронов. Благодаря этой методике были получены первые антиферромагнетики на основе монооксида марганца MnO.

Особенности структуры антиферромагнетиков (физические основы)

Внутреннее устройство антиферромагнетиков можно представить в виде объединения нескольких магнитных систем (в простейшем случае – двух), состоящих из вставленных одна в другую подрешеток. В каждой из них магнитные моменты атомов отдельных подрешеток располагаются параллельно один другому, но их направления противоположны (так называемые «колинеарные структуры»).

Упорядочения такого рода появляются в результате действия определенных сил, которые в этих веществах могут быть двух типов. Одна из них «ответственна» за взаимную ориентацию спинов атомов и носит характер обменного взаимодействия двух подрешеток. В данном случае эта сила «выстраивает» магнитные моменты (спины) соседних элементов в противоположных направлениях, тогда как те же вектора более удаленных атомов выстраиваются в однонаправленную параллель.

За правильную ориентацию тех же спиновых моментов относительно кристаллографической решетки вещества «ответственна» действующая в ее пределах вторая сила – магнитная анизотропия. Ее наличие связано с электронным взаимодействием соседних атомов на уровне соответствующих полевых структур твердого тела.

Действие этих двух сил в антиферромагнетиках зависит от целого ряда факторов, основной из которых – температурный режим исследуемого вещества. В приведённом графике зависимость магнитной восприимчивости χ от изменения температуры (на нем χ|| и χ – это показатели в поле, параллельном и перпендикулярном кристаллической оси соответственно).

Antiferromagnetiki 3

Антиферромагнетики как отдельный класс веществ с магнитными свойствами существуют только при сравнительно низких температурах. При ее повышении наблюдается разупорядочение выстроенной системы диполей из-за хаотичных тепловых флуктуаций. В результате этого магнитные моменты атомов и ионов вещества уменьшаются. Это происходит при определенной критической температуре, называемой «точкой Нееля (ТН)». При ее достижении показатель магнитной проницаемости «μ» приближается к нулю, после чего антиферромагнетики изменяют свое состояние.

При температуре, близкой к значению ТН, энергия тепловых флуктуаций сравнивается с тем же показателем для обменных процессов, что позволяет сделать интересный вывод. Оказывается, что с повышением точки Нееля увеличивается энергия обмена близко расположенных диполей подрешеток. Теоретически и экспериментально доказано, что понижение «μ» до нуля при повышении температуры до TN в подавляющем большинстве антиферромагнетиков происходит плавно (без каких-либо резких скачков и выбросов).

Как себя ведут антиферромагнетики при фазовых переходах

Согласно физическому подходу к изучению состояния типичных антиферромагнетиков их превращение в парамагнетики – это фазовый переход второго рода. Но существуют разновидности этих веществ, которые осуществляют такое превращение при температурах, не достигающих значений точки ТН.

У некоторых образцов антиферромагнетиков аномальное поведение наблюдается по следующим показателям:

Теплоемкость.
Линейное тепловое расширение.
Модуль упругости вещества.

В значительных по величине магнитных полях упорядоченное расположение спинов атомов частично нарушается. Следствием этого является то, что дипольные моменты подрешеток под их воздействием «выстраиваются» параллельно. Зависимость намагниченности исследуемого вещества от величины приложенного внешнего поля определяется типом конкретной структуры и ориентацией полевого образования относительно осей кристалла.

Antiferromagnetiki 4

Так, для одноосных веществ с магнитной анизотропией, у которых направление намагничивания параллельно оси кристалла, характерны особые кривые зависимости. В ситуации, когда внешнее поле направлено параллельно «А» – при его возрастании состояние коллинеарного типа после достижения предельной точки скачком трансформируется в фазу с так называемой «скошенной структурой». При последующем увеличении полевого воздействия угол скоса несколько возрастает. При этом и магнитные моменты (спины) подрешеток ориентируются параллельно (антиферромагнетик превращается в ферромагнетик).

В случае, когда внешнее поле направлено под углом 90 градусов к оси «А» – скошенная фаза наступает при достаточно слабых воздействиях. При последующем их увеличении осуществляется переход в ферромагнитное состояние. Подобное поведение одноосных антиферромагнетиков возможно только в том случае, когда энергия анизотропии заметно меньше того же показателя для обменного взаимодействия.

Известны вещества, у которых магнитная анизотропия достигает значительной величины. Для них образование скошенной фазы в магнитном поле, параллельном «А», представляется энергетически нецелесообразной. В этом случае переход в ферромагнитную фазу осуществляется прямо из коллинеарного состояния (метамагнетики).

Где применяются антиферромагнетики

Появление системного упорядочения спинов веществ с антиферромагнитными свойствами приводит к целой серии эффектов, проявляющихся только у этих материалов. К подобным явлениям специалисты относят следующие распространенные проявление магнитных свойств:

Линейная магнитострикция.
Пьезоэлектрический магнетизм.
Эффекты, связанные с магнитоэлектрической природой вещества.
Целый ряд оптических явлений.

Изучение антиферромагнетиков позволило перейти на новую ступень в освоении физики магнитных явлений, а также более полно изучить принцип фазовых переходов и другие фундаментальные проблемы магнетизма. Успехи в практическом применении антиферромагнетиков на сегодня выглядят более чем скромно. Однако в последнее время практический интерес к этим веществам значительно вырос. В качестве примеров могут рассматриваться довольно частые случаи их использования в СВЧ приборах и устройствах. Помимо этого такие вещества нередко применяются для записи полезной цифровой информации на магнитных носителях.