Магнитная структура - Magnetic structure

Очень простая ферромагнитная структура

Очень простая антиферромагнитная структура

Другое простое антиферромагнитное устройство в 2D

Термин « магнитная структура» материала относится к упорядоченному расположению магнитных спинов, обычно внутри упорядоченной кристаллографической решетки . Его изучение - раздел физики твердого тела .

Магнитные конструкции

Большинство твердых материалов немагнитны, то есть они не обладают магнитной структурой. В соответствии с принципом исключения Паули каждое состояние занято электронами с противоположными спинами, так что плотность заряда везде компенсируется, а степень свободы спина тривиальна. Тем не менее, такие материалы обычно демонстрируют слабые магнитные свойства, например, из-за парамагнетизма Паули или диамагнетизма Ланжевена или Ландау .

Более интересен случай, когда электрон материала самопроизвольно нарушает указанную выше симметрию. Для ферромагнетизма в основном состоянии существует общая ось квантования спина и глобальный избыток электронов с заданным квантовым числом спина, имеется больше электронов, направленных в одном направлении, чем в другом, что дает макроскопическую намагниченность (как правило, большинство электронов выбраны, чтобы указать вверх). В наиболее простых (коллинеарных) случаях антиферромагнетизма по-прежнему существует общая ось квантования, но электронные спины попеременно направлены вверх и вниз, что снова приводит к отмене макроскопической намагниченности. Однако, особенно в случае нарушения взаимодействий, получающиеся в результате структуры могут стать намного более сложными, с изначально трехмерной ориентацией локальных спинов. Наконец, ферримагнетизм, прототипом которого является магнетит, является в некотором смысле промежуточным случаем: здесь намагниченность глобально не компенсируется, как в ферромагнетизме, но локальная намагниченность направлена ​​в разные стороны.

Вышеупомянутое обсуждение относится к структуре основного состояния. Конечно, конечные температуры приводят к возбуждению спиновой конфигурации. Здесь можно противопоставить две крайние точки зрения: в стоунеровской картине магнетизма (также называемой коллективным магнетизмом) электронные состояния делокализованы, и их взаимодействие в среднем поле приводит к нарушению симметрии. С этой точки зрения, с повышением температуры локальная намагниченность, таким образом, будет однородно уменьшаться, поскольку отдельные делокализованные электроны перемещаются из восходящего канала в нисходящий. С другой стороны, в случае локального момента электронные состояния локализованы на определенных атомах, давая атомные спины, которые взаимодействуют только на коротких расстояниях и обычно анализируются с помощью модели Гейзенберга . Здесь конечные температуры приводят к отклонению ориентации атомных спинов от идеальной конфигурации, таким образом, для ферромагнетика также уменьшается макроскопическая намагниченность.

Для локализованного магнетизма многие магнитные структуры могут быть описаны с помощью магнитных пространственных групп , которые дают точный учет всех возможных групп симметрии верхних / нижних конфигураций в трехмерном кристалле. Однако этот формализм не может объяснить некоторые более сложные магнитные структуры, такие как те, которые обнаруживаются в гелимагнетизме .

Методы их изучения

Такое упорядочение можно изучить, наблюдая магнитную восприимчивость как функцию температуры и / или размера приложенного магнитного поля, но истинно трехмерную картину расположения спинов лучше всего получить с помощью дифракции нейтронов . Нейтроны в основном рассеиваются ядрами атомов в структуре. Таким образом, при температуре выше точки упорядочения магнитных моментов, когда материал ведет себя как парамагнитный, дифракция нейтронов даст картину только кристаллографической структуры. При температуре ниже точки заказа, например, температура Нееля из АФМА или Кюри точки ферромагнетика нейтроны будут также опыт рассеяние от магнитных моментов , так как они сами обладают спином. Поэтому интенсивность брэгговских отражений изменится. Фактически, в некоторых случаях будут возникать совершенно новые брэгговские отражения, если элементарная ячейка упорядочения больше, чем элементарная ячейка кристаллографической структуры. Это форма образования надстройки . Таким образом, симметрия общей структуры может отличаться от кристаллографической субструктуры. Его нужно описывать одной из 1651 магнитных (шубниковских) групп, а не одной из немагнитных пространственных групп .

Хотя обычная дифракция рентгеновских лучей «слепа» к расположению спинов, стало возможным использовать особую форму дифракции рентгеновских лучей для изучения магнитной структуры. Если выбрана длина волны, близкая к краю поглощения одного из элементов, содержащихся в материалах, рассеяние становится аномальным, и эта составляющая рассеяния (в некоторой степени) чувствительна к несферической форме внешних электронов атома с непарный спин. Это означает, что этот тип аномальной дифракции рентгеновских лучей действительно содержит информацию желаемого типа.

В последнее время разрабатываются настольные методы, позволяющие изучать магнитные структуры без использования нейтронных или синхротронных источников.

Магнитная структура химических элементов

Только три элемента являются ферромагнитными при комнатной температуре и давлении: железо , кобальт и никель . Это связано с тем, что их температура Кюри , Tc, выше, чем комнатная температура (Tc> 298K). Гадолиний имеет спонтанную намагниченность чуть ниже комнатной температуры (293 К) и иногда считается четвертым ферромагнитным элементом. Было высказано предположение, что гадолиний обладает гелимагнитным упорядочением, но другие отстаивают давнюю точку зрения, согласно которой гадолиний является обычным ферромагнетиком.

Элементы диспрозий и эрбий имеют по два магнитных перехода. Они парамагнитны при комнатной температуре, но становятся гелимагнитными при температурах ниже соответствующих им температур Нееля, а затем становятся ферромагнитными при температурах ниже своих температур Кюри. Элементы гольмий , тербий и тулий демонстрируют еще более сложные магнитные структуры.

Существует также антиферромагнитное упорядочение, которое становится неупорядоченным выше температуры Нееля . Хром чем-то похож на простой антиферромагнетик, но также имеет несоразмерную модуляцию волны спиновой плотности поверх простого чередования спинов вверх-вниз. Марганец (в форме α-Mn) имеет элементарную ячейку из 29 атомов , что приводит к сложному, но соразмерному антиферромагнитному расположению при низких температурах ( магнитная пространственная группа P 4 2'm '). В отличие от большинства элементов, которые являются магнитными из-за электронов, в магнитном упорядочении меди и серебра доминирует гораздо более слабый ядерный магнитный момент (сравните магнетон Бора и ядерный магнетон ), что приводит к переходным температурам, близким к абсолютному нулю .

Те элементы, которые становятся сверхпроводниками, проявляют сверхдиамагнетизм ниже критической температуры.

использованная литература