|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Ориентационные фазовые переходы индуцированные |
 |
Магнитные фазовые переходы с изменением ориентации осей намагничивания магнетиков при изменении внешнего магнитного поля
Анимация
Описание
Ориентационные фазовые переходы (ОФП) (спин переориентационные переходы) особый класс магнитных фазовых переходов, при которых меняется ориентации слой легкого намагничивания магнетиков при изменении внешних параметров (температуры, магнитного поля). Эти фазовые переходы происходят между магнитоупорядоченными фазами магнетика и относятся к так называемым переходам типа порядок – порядок. При ОФП перестраивается магнитная атомная структура и изменяется магнитная симметрия кристаллов. ОФП, происходящие при изменении температуры, называется спонтанными переходами, при изменении внешнего магнитного поля - индуцированными переходами.
В том случае, когда переориентация моментов осуществляется в некоторой кристаллографической плоскости кристалла, изменение термодинамического потенциала Ф кристалла удобно представить в виде
где К1 и К2 константы анизотропии изменение которых с температурой и приводят к ОФП; v угол ориентации оси лёгкого намагничивания относительно кристаллографических осей в плоскости переориентации. Минимизация по углу v приводит к трём возможным состояниям системы (вблизи от ОФП К2 считают не зависящей от температуры):
фаза I: v=0, π; K1≤0
фаза II: v=π/2,3π/2; K1+2K2≤0;
фаза III: sin2v= -K1/2K2; K1<0, К1+2К2≥0
Внешнее магнитное поле Нвн оказывает существенное влияние на ОФП, подавляя их или, наоборот, способствуя их возникновению. Поле Hин может также индуцировать ОФП. Например, в целом ряде антиферромагнетиков при достаточно большом (критическом) значении магнитного поля Нс, приложенного вдоль оси антиферромагнетизма, происходит переориентация спинов, и намагниченность магнитных подрешеток устанавливается перпендикулярно направлению действующего магнитного поля. Индуцированные полем ОФП наблюдались также в слабых ферромагнетиках, в частности в редкоземельных ортоферритах.
Характерным примером индуцированного ориентационного фазового перехода является спин-флоп переход – магнитный фазовый переход, наблюдаемый в антиферромагнетиках при критическом значении внешнего магнитного поля Нс1, приложенного вдоль оси антиферромагнетика, при котором направление намагниченности магнитных подрешеток поворачивается перпендикулярно ориентации поля Нс1. Этот переход обусловлен тем, что в антиферромагнетиках при Т<<ТN (ТN – температура Нееля) восприимчивость вдоль оси антиферромагнетизма χ|| меньше восприимчивости χ в поперечном направлении, и при некотором значении магнитного поля Нс1 разность магнитных энергий сравнивается с энергией анизотропии, что и приводит к скачкообразному изменению ориентации спинов на угол π/2 (рис.1).
«Опрокидывание» магнитных подрешеток в анизотропном антиферромагнетике при внешнем магнитном поле а) Н<Hc1, б) H>Hc1
рис.1
Другой пример индуцированного перехода - спин-флип переход. 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≈He, He – эффективное поле обменного взаимодействия) все магнитные моменты ионов антиферромагнетика ориентируются вдоль поля (намагниченности подрешёток «схлопываются»). Антиферромагнитный кристалл становятся по существу ферромагнитным (рис.2).
Зависимость намагниченности одноосного антиферромагнетика при Т =0K от магнитного поля, перпендикулярного оси антиферромагнетизма, М0— намагниченность насыщения подрешеток, Нe — критическое поле спин-флип перехода.
рис.2
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
Применение эффекта
Теория
магнитных фазовых переходов как и всех фазовых переходов, основана на общих принципах и методах термодинамики и квантовой статистической физики, но из-за трудностей математического характера в законченном виде ещё не построена. К числу наиболее употребительных приближённых методов теории относится метод молекулярного поля. При описании широкого класса
магнитных фазовых переходов в рамках
теории Ландау весьма полезен метод термодинамических коэффициентов Аррота - Белова - Нокса с их помощью, в частности, удобно определять положение точек
магнитных фазовых переходов. Указанные методы дают в целом правильное качественное описание
магнитных фазовых переходов, особенно в магнетиках со сложной атомной и магнитной структурой.
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.
Реализации эффекта
Ядерный магнитный резонанс — резонансное поглощение энергии электромагнитного 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 намагничен постой 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.
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.
Принципиальная сторона применения магнитооптических методов совершенно ясна. Это—обычная спектроскопическая методика: на кривых частотной зависимости самих магнитооптических эффектов 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.
Литература
1. Прохоров А.М. Физическая энциклопедия. Т. III М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.
2. Ориентационные переходы в редкоземельных магнетиках, М., 1979
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, ч. 1, 3 изд., М., 1976
4. Боровик-Романов А. С., Антиферромагнетизм М., 1962.
5. Стенли Г. Фазовые переходы и критические явления. – М.: Мир, 1973.
