Спин-флоп переход – магнитный фазовый переход, наблюдаемый в антиферромагнетиках при достаточно большом значении внешнего магнитного поля Н_с1, приложенного вдоль оси антиферромагнетика, при котором направление намагниченности магнитных подрешёток поворачивается перпендикулярно ориентации поля Н_с.
Этот переход обусловлен тем, что в антиферромагнетиках при Т<<Т_N (Т_N – температура Нееля), восприимчивость вдоль оси антиферромагнетизма χ_// меньше восприимчивости χ в поперечном направлении, и при некотором значении магнитного поля Н_с1 разность магнитной энергии -1/2( χ –χ_//)Н² сравнивается с энергией анизотропии, что и приводит к скачкообразному изменению ориентации спинов на угол 90^o.

Это явление впервые наблюдалось экспериментально на антиферромагнитных монокристаллах CuCl₂*2H₂O c Т_N=4,3К. На рис. 2 приведены зависимость магнитного момента этого соединения от напряжённости магнитного поля, приложенного вдоль оси антиферромагнетика (ось а) и перпендикулярно ей (ось b).

При низких температурах χ_//<< χ_{перпенд}, но при достижении Н_с=6Кэ намагниченность вдоль оси а скачком возрастает (фазовый переход первого рода), после чего восприимчивость по осям a и b оказываются примерно одинаковыми, то есть намагниченности решеток устанавливаются перпендикулярно полю.
Критическое поле спин-фононного перехода связанно с внутренними эффективными полями антиферромагнетика. В случае простейшего одноосного антиферромагнетика

Где H_e эффективное обменное поле, H_a – эффективное поле анизотропии.

Если исходить из классического описания, то у антиферромагнетика при отсутствии поля спины будут расположены в «шахматном» порядке параллельно оси z. В поле H||Z антипараллельное расположение соседних спинов сохранится вплоть до некоторого критического поля H₁, когда произойдет фазовый переход I рода (спин-флоп-переход), при этом спины подрешеток устанавливаются почти перпендикулярно полю. С дальнейшим ростом H угол между подрешетками уменьшается, и в поле H₂ магнитные моменты подрешеток «схлопываются». Это — переход II рода (спин-флип-переход). Обе точки перехода (Н₁ и H₂), естественно, зависят от температуры . Фазовая диаграмма в переменных H, Т изображена на рис.3. Стрелки изображают направление магнитных моментов подрешеток в разных фазах.

При произвольном направлении магнитного поля спин-флип-переход происходит всегда, а спин-флоп-переход — только если направление H почти параллельно оси z.

 

 

Фазовые переходы веществ в магнитном поле указывают на относительный характер разделения веществ по электрическим и магнитным свойствам. Во всяком случае, следует иметь в виду, что такая классификация справедлива лишь при отсутствии внешних, например, магнитного полей. В магнитном поле одно и то же вещество в принципе может быть и диэлектриком, полупроводником, металлом, ферро- или антиферромагнетиком.
Известно, что во Вселенной, в частности в районах нейтронных звезд, могут существовать необычайно сильные магнитные поля, достигающие фантастической величины 10⁸-10⁹ Тл. Вещество, попадающее в такие поля, может качественно изменить свои свойства: диэлектрик может приобрести металлическую проводимость и, наоборот, металл стать диэлектриком. Наконец, рассмотренные переходы можно использовать как реперные точки при градуировке шкалы сверхсильных магнитных полей.
Спин–вентильные структуры ферромагнетик – антиферромагнетик – ферромагнетик, обладающие эффектом гигантского магнетосопротивления, находят широкое применение в качестве сенсоров магнитного поля, считывающих головок жестких дисков и элементов магниторезистивной памяти. Поэтому исследование их свойств, наряду с фундаментальным, представляет и значительный прикладной интерес. Во многих антиферромагнетиках наблюдается сильное резонансное поглощение электромагнитного излучения для длин волн от 1 см до 0,001 см (Антиферромагнитный резонанс).

 

Теоретические представления о магнитных атомных структурах в антиферро- и ферримагнетиках получили свое прямое опытное подтверждение после того, как были проведены нейтронографические исследования. Изучая картину дифракции медленных нейтронов на антиферро- и ферримагнитпых кристаллах, при температурах ниже точек Нееля, соответствующих каждому из исследованных веществ, было обнаружено, помимо ядерных дифракционных максимумов, обусловленных когерентным рассеянием нейтронов на периодически расположенных в пространстве атомных ядрах веществ, появление также дополнительных магнитных максимумов, возникающих из-за периодического распределения магнитных моментов.

Основным применением магнитооптических методов в физике магнитоупорядоченных кристаллов является исследование энергетического спектра магнитоактивных ионов в ферромагнитных и антиферромагнитных диэлектриках, а также изучение электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов. Собственно говоря, новый интенсивный этап в развитии магнитооптики ферромагнетиков и начался в 50-х годах с появления этого направления исследований.
Вопрос о физическом применении магнитооптических методов для спектроскопии магнитных кристаллов был поставлен в связи с тем, что наиболее важные для ферромагнетизма межзонные интервалы, интервалы между энергетическими уровнями, обменные, спин-орбитальные расщепления уровней попадают как раз в оптическую область спектра, и это делает магнитооптические методы очень перспективными для изучения основных взаимодействий, ответственных за происхождение
ферромагнетизма. Для этого пришлось измерить магнитооптические спектры магнетиков в широкой области частот инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов.
Принципиальная сторона применения магнитооптических методов для указанных выше целей совершенно ясна. Это—обычная спектроскопическая методика: на кривых частотной зависимости самих магнитооптических эффектов или лучше на определенных из них кривых недиагоиальных компонент тензора обнаруживают некоторые особенности, которые затем отождествляются с определенными оптическими переходами, допустимыми в рамках рассчитанных энергетических спектров кристалла. При сравнении с обычными оптическими магнитооптические методы имеют два существенных преимущества. Во-первых, магнитооптические методы чувствительны к знаку спина, то есть, например, для ферромагнитного металла они в принципе позволяют выяснить, к какой спиновой подзоне относится данный переход. Во-вторых, магнитооптический метод является по существу своему дифференциальным или модуляционным методом измерения спектров, а дифференциальные методы имеют на два-три порядка большую чувствительность в определении собственных частот, чем обычные статические.

Наблюдение доменов магнитооптическими методами основано на различии поворота плоскости поляризации света или изменения интенсивности света по-разному намагниченными доменами. При этом с одинаковым успехом используются и магнитооптические эффекты прохождения света, и магнитооптические эффекты отражения.
Близко к этой теме стоит и вопрос об измерении магнитных характеристик материала магнитооптическими методами. Все они основаны на использовании того обстоятельства, что величина большинства магнитооптических эффектов пропорциональна намагниченности магнетика, поэтому, измеряя зависимость эффекта от поля, мы получаем в относительных единицах зависимость M(H). Таким способом можно, очевидно, определить все обычные магнитные характеристики материала: кривую намагничивания, петлю гистерезиса, остаточную намагниченность, коэрцитивную силу, магнитную восприимчивость, константу кристаллографической анизотропии (по поперечной составляющей намагниченности). Огромное число хорошо действующих измерительных установок разработано на основе этих принципов.
Наконец, определение магнитного состояния отдельных образцов или отдельных участков одного и того же образца, если на этих участках была каким-либо способом записана магнитная информация, есть магнитооптическое считывание информации. Проблемы магнитооптического считывания информации легче будет представить себе после знакомства с методами магнитооптических измерений при микронном разрешении.