Спин-флип переход – магнитный фазовый переход в сильном магнитном поле, при котором разрушается антиферромагнетизм. При наложении возрастающего внешнего магнитного поля перпендикулярно направлению лёгкого намагничивания антиферромагнитного кристалла векторы намагниченности магнитных подрешёток кристалла начинают поворачиваться к направлению поля и в очень сильном поле(критическое магнитное поле H≈H_e, H_e – эффективное поле обменного взаимодействия) все магнитные моменты ионов антиферромагнетика ориентируются вдоль поля (намагниченности подрешёток «схлопываются»). Антиферромагнитный кристалл становятся по существу ферромагнитным (рис.1).

Разрушение антиферромагнетизма происходит, когда магнитная энергия подрешёток во внешнем поле сравнивается с энергией обменного взаимодействия ионов. Эффективное обменное поле Н_Е, являющиеся критическим полем спин-фононного взаимодействия, разрушающим антиферромагнетизм, определяется из условия

где Т_N – температура Нееля, μ – величина порядка атомного магнитного момента.

При абсолютном нуле температур обменная энергия по порядку величины равна кТ_N. С ростом температуры величина обменного поля, а следовательно и критическое поле схлопывания подрешеток, уменьшается, обращаясь в нуль при T=T_N(рис.2). Спин-фононное взаимодействие представляет собой, как правило, фазовый переход второго рода.

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 изобра¬жена 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.
В лабораториях мира ведутся работы по созданию новых методов получения сильных и сверхсильных магнитных полей. В настоящее время удается получать поля с индукцией в несколько тысяч тесла. Это открывает новые возможности для исследования различного типа фазовых переходов вещества в магнитном поле и существенно расширяет число возможных объектов для проведения измерений. В частности, уже сейчас возможно обнаружить переход из металлического в диэлектрическое состояние у Bi, Sb и, по-видимому, графита.
Наконец, рассмотренные переходы можно использовать как реперные точки при градуировке шкалы сверхсильных магнитных полей. Антиферромагнетики пока еще не находят практического применения. Однако изучение физических свойств антиферромагнетиков играет большую роль в современном развитии физики магнитных явлений и особенно теории фазовых переходов и исследований свойств одно- и двухмерных магнитных структур.

 

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.

Ядерный магнитный резонанс — резонансное поглощение энергии электромагпитпого поля в веществе, обусловленное магнетизмом ядер, представляет собой один из самых тонких методов получения информации о локальном пространственном распределении зарядовой и спиновой плотностей в электронной системе твердого тела. Это прежде всею обусловлено тем, что магнитноактивное атомное ядро представляет собой практически точечный зонд в электронной системе кристалла.
Развитию методики ЯМР для исследования магнитно-упорядоченных сред было положено начало в 1953 г. работой Пулиса и Хардемапа, в которой был открыт протонный резонанс в антиферромагнитном веществе.
Из измерений частот ЯМР можно определить величину и знак локального магнитного поля на магнитно активных ядрах. По распределению этого поля в решетке можно судить о распределении спиновой плотности, то есть локальной намагниченности электронной подсистемы кристалла. Знание последней имеет первостепенное значение для создания детальной теории магнитоупорядоченных веществ.
В различных магнитоупорядочепных соединениях измерение локальных магнитных полей на ядрах как магнитно активных, так и особенности немагнитных ионов позволяет получить ценную информацию об участии в химической связи различных групп электронов .
Измерения частот ЯМР можно использовать для прецизионного измерения температурной зависимости намагниченности ферромагнетика или намагниченностей подрешеток ферри- или антиферромагнетика. Более того, если в кристалле имеется несколько различных ядер, то по соответствующей резонансной частоте можно найти температурный ход среднего магнитного момента каждого сорта ионов, на ядрах которых наблюдается ЯМР. Частоты могут различаться не только для разных ядер, но и для одинаковых ядер, находящихся в различных (в кристаллохимическом смысле) узлах кристаллической решетки.
В области низких температур указанные измерения температурной зависимости намагниченности с помощью ЯМР имеют важное значение для проверки теории спиновых волн. Очень важным применением ЯМР в исследовании ферро- и антиферромагнетиков является изучение с его помощью доменной структуры и особенно, как уже отмечалось выше, граничных слоев между доменами.