Магнитоэлектрический эффект. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитоэлектрический эффект - возникновение в диэлектрич. кристалле намагниченности т, индуцированной электрич. полем E, или поляризации р, индуцированной магп. полем H. Магнитоэлектрический эффект - результат взаимодействия двух подсистем ионного кристалла: электрической, состоящей из заряж. ионов, и магнитной - совокупности нескомпенсиров. спиновых магн. моментов ионов. Полное феноменоло-гич. описание всех возможных магнитоэлектрич. взаимодействий может быть выполнено на основе термодп-намич. теории фазовых переходов 2-го рода. M. э. чаще всего наблюдается в антиферромагн. кристаллах, для к-рых термодинамический потенциал F есть функция проекции векторов: намагниченности т, антиферромагнетизма l и вектора p - изменения электрич. поляризации, вызванного внеш. полями E и H и (или) переходом в магнитоупорядоченное состояние. Для однодоменных кристаллов, т. е. таких, в к-рых векторы m, l и p имеют одинаковую величину и одинаковое направление во всех элементарных ячейках кристалла, связанная с M. э. часть потенциала записывается в виде разложения по смешанным произведениям проекций этих векторов. Из числа всех возможных смешанных произведений вида

l²p² и т. д. в F входят лишь те, к-рые инвариантны при всех преобразованиях группы симметрии парамагн. фазы конкретного кристалла. Условия устойчивости состояния:

- позволяют найти равновесные значения т и р, причём M. э. возможен, если т(Е) <> 0 и (или) р(Н) <> 0 (<> - неравное). Вид слагаемых в функциях т(Е) и p(H) зависит от того, с какими членами в разложении F они связаны, при этом те из слагаемых, к-рые содержат проекции l, появляются только для кристаллов, обладающих магнитной атомной структурой.

Наиб, известен т. н. линейный магнитоэлектрический эффект, возникающий в результате взаимодействий типа lmp, к-рые приводят к линейной связи вида

где a_ij - компоненты тензора магнитоэлектрического эффекта, пропорциональны проекции вектора (здесь и далее суммирование осуществляется по повторяющимся индексам).

В однодоменном кристалле направление l задано и взаимная ориентация как т(Е)и E, так и р(H) и H полностью определяется величинами

Изменение направления l на 180° соответствует др. магн. домену, в к-ром при неизменных относительно кристалла направлениях E и H векторы т(Е)и р(Н)будут направлены в противоположную сторону. Это обстоятельство используется в эксперименте для получения однодо-менного состояния. Кристалл охлаждается ниже точки магн. перехода T_N (см. Нееля точка)в присутствии пост, полей E и H, ориентированных так, чтобы вдоль направлений этих полей

В процессе перехода кристалла в магнитоупорядоченное состояние магнитоэлектрич. взаимодействия реализуют во всём объёме кристалла единственный магнитный домен, соответствующий минимуму термодинамнч. потенциала Ф.

Линейный магнитоэлектрический эффект обнаружен в 1960 (Д. H. Астров) в кристалле оксида хрома Cr₂O₃, элементарная ячейка к-рого показана на рис. 1, а. Для

, где индекс ^ обозначает величины в оазисной плоскости кристалла. При переходе к другому домену (рис. 1, б)изменяются знаки a_z и a_^ однако указать, какому именно домену какой знак соответствует, невозможно.

В сегнетоэлектрич. борацитах - кристаллах с общей ф-лой

Br, I) при

(Кюри точке)также наблюдается линейный M. э., к-рый, в отличие от магнитоэлектрического эффекта в Cr₂O₃, описывается как диагональными, так и недиагональ-иыми компонентами тензора a_ij

Известно неск. десятков антиферромагнетиков, в к-рых возможен и наблюдается линейный M. э. с величиной a в пределах от 10^-5 до 10^-2 (TbPO₄),

Нелинейные магнитоэлектрический эффект возникают в результате магнитоэлектрич. взаимодействий вида

к-рые приводят к квадратичным зависимостям соответственно по

Рис. 1. Элементарная магнитная ячейка антиферромагнетика Cr₂O₃; а и б - направления магнитных моментов s₁, s₂, s₃ и s₄ионов в доменах с противоположно ориентированными векторами антиферромагнетизма l

Первый из них возможен во всех кристаллах без центра симметрии в парамагн. фазе при

и впервые наблюдался в

второй вовможен только в магнитоупорядоченных кристаллах и наблюдался, напр., в веществах с общей ф-лой RFe₅O₁₂ и RFeO₃ (R - редкоземельный ион) с

Наконец, взаимодействия вида pl² в кристаллах со слабым ферромагнетизмом (напр., в Со-I-бораците) обусловливают как линейный, так и нелинейный M. э.

M. э. удобно наблюдать динамич. методом, прикладывая к кристаллу переменные поля

или

на частоте f и измеряя индуцированные ими намагниченность

или поляризацию

. Селективная техника обеспечивает достаточно высокую чувствительность даже при измерении слабых квадратичных магнитоэлектрических эффектов в полях

с амплитудой много меньше той, к-рая может изменить доменную структуру. В динамич. методе линейному M. э. соответствует сигнал на той же частоте f, а квадратичному на частоте

При наблюдении квадратичных M. э. можно прикладывать к кристаллу одновременно как переменные

так и пост, поля

Тогда

, т. е. зависимости

будут линейными на той же частоте, что и частота

В этом случае M. э. можно рассматривать как линейный, индуцированный пост, полем Н₀ или E₀₀.

Проявления магнитоэлектрич. взаимодействий не ограничиваются магнитоэлектрическим эффектом. Так, при наличии в F членов вида

парамагн. восприимчивость

и поляризуемость

оказываются зависящими линейно от полей

соответственно. Зависимость

наблюдалась экспериментально в кристалле

Член вида

обусловливает появление поляризации

при переходе кристалла в магнитоупорядоченное состояние. Наконец, член вида

приводит к изломам на кривой температурной зависимости диэлектрич. проницаемости

при

в точке Кюри при

Магнйтоэлектрич. взаимодействия могут изменять поляризацию эл--магн. волн при их отражении или пропускании кристаллами, обладающими M. э., вызывать параметрнч. возбуждение спиновых волн в сегнетомаг-нетиках под действием поля

высокой частоты или поглощение переменного магн. поля на резонансных частотах электрич. дипольной структуры.

Термодинамич. теория, позволяющая найти вид потенциала F для кристалла с известной симметрией, не даёт никаких сведений ни о величинах констант, описывающих магнитоэлектрический эффект, ни о природе микроскопич. сил, ответственных за его проявление. При изучении механизма M. э. приходится использовать модельные представления, а имеющаяся "микроскопическая" теория носит в основном качеств, характер. Так, описание зависимости

(рис. 2) удаётся получить на основе модели о сближении ионов

, принадлежащих одной магн. подрешётке, с ионами

и удалении от них ионов другой подрешётки под действием поля что приводит к изменению изотропного косвенного обменного взаимодействия в подрешётках.

В результате намагниченности становятся разными и появляется намагниченность кристалла в целом. Эта же модель может быть применена и к др. кристаллам, обладающим M. э., большинство из к-рых содержит кислород.

При наложении на кристалл достаточно больших полей

в нём возможны скачкообразные изменения

связанные с переходом от одного домена к другому. Так, в Ni - I-борацито при увеличении магн. поля, направленного перпендикулярно вектору спонтанной намагниченности, в точке

происходит переброс этого вектора на 90⁰ и вектора спонтанной поляризации на 180° (рис. 3). Внеш. электрич. поле может в свою очередь изменить направление p на 180° с одноврем. перебросом m на 90°. В Cr₂O₃резкое изменение знака M. э., связанное с переходом от одного домена к другому (переключение доменов), наблюдается при одноврем. наложении достаточно сильных полей E_zи H_z.

Рис. 3. Изменение ориентации векторов спонтанной намагниченности т и поляризации r в Ni - I-бораците при достижении внешним магнитным полем критического значения Н_с.

Синтез монокристаллич. веществ, как правило, очень труден, что препятствует всестороннему изучению M. э., однако его простая регистрация возможна в порошках и поликристаллах, где величина

достигает

от её значения для монокристалла. Охлаждение поликристаллич. образцов ниже

в полях

создаёт избыток доменов одного типа и, следовательно, макроскопич. намагниченность таких образцов.

Все возможные классы магнитной симметрии, допускающие M. э., известны. Экспериментально изученные вещества относятся только к части этих классов, и лишь для неск. веществ получено полное согласие между результатами измерений и предсказаниями теории. Прямое определение магн. симметрии методами нейтронографии часто затруднено. Исследование M. э., конкретные проявления к-рого зависят от магн. симметрии, и ряде случаев позволяет дополнить ней-тронографич. данные или даже определить магн. атомную структуру независимо, а также получить сведения об её изменении, напр, при ориентаиионном фазовом переходе антиферромагнетика в сильном магн. поле (спин-флоп переход).

Практич. применения M. э. (магн. память, фазовращатели, затворы, невзаимные и переключающие элементы в оптике и т. д.) возможны, однако ни одно из подобных устройств не было реализовано в связи с отсутствием монокристаллич. материалов высокого качества.

Литература по магнитоэлектрическому эффекту

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.