Пьезомагнетизм (пьезомагнитный эффект). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Пьезомагнетизм (пьезомагнитный эффект) - возникновение в веществе спонтанного магнитного момента при наложении упругих напряжений. П. может сушествовать только в антиферромагнетиках и ферромагнетиках и принципиально невозможен в пара-и диамагнетиках.

Термодинамич. рассмотрение вопроса о П. основывается на выделении и изучении в разложении термодинамического потенциала F членов, линейных по магн. полю H_i и по одной из компонент тензора упругих напряжений

Если все преобразования магн. симметрии данного кристалла оставляют инвариантным хотя бы один член в этом выражении, то соответствующий коэф.

(модуль П.) будет отличен от нуля и в кристалле будет возникать пьезомагн. момент

зависящий от приложенного напряжения

Эта идея впервые была высказана В. Фойгтом [1]. Однако он ошибочно считал, что достаточно учитывать только кристаллографич. симметрию.

Пара- или диамагнитный кристалл не может быть пьезомагнетиком, поскольку в группу магн. симметрии такого кристалла самостоятельно входит элемент инверсии времени Л, к-рый изменяет знаки магн. полей и моментов на обратные (см. Магнитная симметрия ).Поэтому для пара- и диамагнетиков все компоненты пьезомагн. тензора

тождественно равны нулю. В веществах, обладающих упорядоченной магн. структурой (в ферромагнетиках и антиферромагнетиках), R встречается только в комбинациях с др. элементами симметрии. Поэтому в принципе такие вещества могут быть пьезомагнетиками [2]. Симметрийный анализ позволил установить все классы магн. симметрии, к-рые допускают П. Их оказалось 66, и для всех найден вид тензоров

Благодаря симметрии тензора s_jk пьезомагн. тензоры могут быть представлены в виде матриц 3 x 6, и число таких матриц равно 16 [3].

Пьезомагн. момент сравнительно мал. Поэтому практически наблюдать его можно только в антиферромагнетиках, к-рые в нормальных условиях не обладают спонтанным магн. моментом. Теоретич. исследование магн. симметрии известных антиферромагнетиков позволило И. Е. Дзяяошинскому [4] (ещё до того, как были найдены все магн. классы, допускающие П.) найти среди них ряд веществ (Fe₂0₃, FeCO₂, MnF₂, CoF₂, FeF₂), в к-рых должен наблюдаться П.

П. в антиферромагнетиках тесно связан с явлением слабого ферромагнетизма. Так же, как и магн. момент слабых ферромагнетиков, пьезомагн. момент может быть направлен перпендикулярно к направлению спонтанной намагниченности магнитных подрешёток или параллельно ему. В первом случае возникает скос векторов подрешёток, приводящий к возникновению пьезомагн. момента. Продольный П. связан с изменением намагниченности подрешёток.

Экспериментально П. обнаружен в 1959 в антифер-ромагн. кристаллах MnF₂ и CoF₂ [5]. В этих кристаллах в соответствии с соображениями симметрии отличны от нуля только три компоненты пьезомагн. тензора:

. Для CoF₂ пьезомагн. модули при температуре 20.4 R имеют следующие значения: L_xyz = 2·10^-3 Гс·см²/кГ и L_zxy=0,8·10^-3 Гс·см²/кГ. На примере антиферромагн. фторидов легко понять микроскопич. природу продольного пьезомагн. эффекта.

Рис. 1. Схематическое изображение деформированной элементарной ячейки (d - период ячейки) антиферромагнитных фторидов переходных металлов (CoF₂). Ось г перпендикулярна плоскости чертежа. Ионы, обозначенные заштрихованными кружками, сдвинуты на половину периода кристаллической решётки вдоль оси z относительно незаштрихованных.

На рис. 1 показана схема расположения попив в деформированной тетрагональной решётке, когда кристаллографически эквивалентные узлы 1 и 2 после сдвиговой деформации в плоскости ху перестают быть эквивалентными. При этом расстояние d до ближайших ионов фтора для магн. ионов в подрешётке 1 увеличивается, а для ионов в подрешётке 2 - уменьшается.

Очевидно, что при этом изменения величины намагниченности подрешёток должны быть противоположными и их равенство будет нарушаться [6]. Из рис. 2 видно, что температурная зависимость пьезомагн. модуля аналогична температурной зависимости намагниченности подрешёток.

Рис. 2. Температурная зависимость модуля пьезомагнетизма

у CoF₂ (точки - данные эксперимента).

П. существенно зависит от доменной структуры антиферромагнетика. 180-градусные домены отличаются знаком антиферромагн. вектора

- намагниченности подрешёток), а компоненты тензора П. линейно зависят от компонент вектора

В многодоменном антиферромагн. образце П. может быть сильно ослаблен. Поэтому П. в чистом виде наблюдают в однодоменных образцах. При перемагничива-нии однодоменного образца, обладающего пьезомагн. моментом, происходит переворот домена и соответственно векторы намагниченности подрешёток поворачиваются на 180°. Используя П., легко получать одно-доменные антиферромагн. кристаллы, охлаждая их из парамагн. состояния в магн. поле при соответствующей деформации. Это было подтверждено методами нейтронографии.

П. наблюдался также в FeCO₃ и в низкотемпературной модификации

Магн. симметрия обоих веществ одинакова, и в них наблюдаются следующие отличные от нуля компоненты тензора П.:

. Их величина примерно на порядок меньше, чем у CoF₂. В высокотемпературной модификации a = Fe₂O₃ удалось измерить только один модуль П.-

, величина к-рого тоже на порядок меньше, чем у CoF₂.

Из ф-лы (*) видно, что наряду с П. должен существовать обратный эффект - линейная магнитострикция ,при к-рой компоненты тензора деформаций линейно связаны с магн. полем:

, Знак линейной магнитострикции, как и

в случае П., зависит от знака вектора

характеризующего образовавшееся доменное состояние образца. Линейная магнитострикция наблюдалась в CoF₂ и a = Fe₂0₃ (в обеих антиферромагн. модификациях). В ходе исследования линейной магнитострикции в этих веществах было обнаружено, что в сильных магн. полях знак магнитострикции может скачком изменяться, что указывает на индуцированное полем скачкообразное изменение доменной структуры антиферромагнетика (поворот вектора антиферромагнетизма

на 180°). Линейная магнитострикция наблюдалась также при спин-переориентац. переходах в ортоферритах (YFe0₃и DyFeO₃) и ортохромитах (YCrO₃) (см. Магнитный фазовый переход ).В этих соединениях в определ. интервале значений температуры направление антиферромагн. вектора

плавно изменяется от одного кристал-лографич. направления к другому. При этом, как показывает симметрийный анализ, должна наблюдаться линейная магнитострикция, приводящая к моноклинному искажению орторомбич. решётки. Направление вектора L антиферромагн. домена и в этом случае определяет знак магнитострикции. Линейная магнитострикция даёт значит. вклад в магнитоупругие свойства антиферромагнетиков вблизи Нееля точки

Симметрийным аналогом линейной магнитострикции является эффект линейного по магн. полю магн. двулу-чепреломления. В отличие от обычного квадратичного по полю Коттона-Мутона эффекта, линейное дву-лучепреломление наблюдается в одноосных антиферромагнетиках при приложении магн. поля вдоль оси антиферромагнетизма [7].

Литература по пьезомагнетизму (пьезомагнитному эффекту)

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.