Редкоземельные магнетики. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Редкоземельные магнетики - кристаллические и аморфные магнетики (металлы, сплавы, соединения), содержащие редкоземельные элементы - лантаноиды. В более узком смысле Р. м.- вещества, содержащие редкоземельно-лантаноидные (РЗЛ) элементы и обладающие магн. упорядочением (ферро-, ферри- и антиферромагнетизмом).

Природа магнетизма РЗЛ элементов. Магн. момент атомов обусловлен частично заполненной 4f-оболочкой. Внеш. часть электронных оболочек РЗЛ атомов, находящаяся вне заполненных слоев, соответствующих атому Хе, имеет конфигурацию

где n принимает значения от 1 до 14. В ряду лантаноидов при возрастании порядкового номера Z от Z = 58 до Z = 71 число 4f-электронов монотонно возрастает от n = 1 до n = 14. Незаполненность 4 f-электронной оболочки за исключением лютеция (Lu) с n = 14 приводит к появлению нескомпенсированного спинового (S) и орбитального (L)моментов. В РЗЛ атомах или ионах 4f-оболочка расположена глубоко внутри атома и экранирована от действия кристаллич. поля вышележащими электронными слоями 5s² и 5р⁶.

Среднее межатомное расстояние в Р. м. на порядок величины превышает радиус 4f-оболочки. По этим причинам в Р. м. отсутствует заметное перекрытие волновых функций 4f-электронов соседних атомов.

Вследствие сильной экранировки 4f-оболочки действие электростатич. поля на орбитальный момент 4f-оболочки значительно уменьшено, поэтому "замораживание" орбитальных моментов выражено весьма слабо. Кроме того, спин-орбитальное взаимодействие (характерная энергия ~10^-1 эВ) весьма велико и электростатич. поле окружающих атомов (энергия взаимодействия ~10^-2 эВ) не разрушает спин-орбитальную связь (см. Связь векторная ).Орбитальный момент, так же, как и спиновый, формирует магн. момент РЗЛ атома. Спиновый S и орбитальный L моменты связаны в результирующий момент J. В осн. состоянии J = L + S для РЗЛ элементов от гадолиния (Gd) до иттербия (Yb), J = L - S для РЗЛ элементов от церия (Се) до европия (Еu).

В большинстве РЗЛ металлов существуют периодич. магнитные атомные структуры, период к-рых довольно часто является несоизмеримым с периодом кристаллич. решётки. Обменное взаимодействие между РЗЛ ионами является косвенным и осуществляется через электроны проводимости (см. РККИ-обменное взаимодействие). Волновой вектор периодич. магн. структур определяется топологич. особенностями ферми-по-верхности и близок к диаметрам её экстремальных сечений. Магн. структуры и магнитные фазовые переходы зависят также от специфики косвенного обменного взаимодействия и влияния магн. анизотропии и магнито-упругого взаимодействия. В Се обнаружено антиферро-маги. упорядочение ниже Нееля точки T_N = 12,5 К. У неодима (Nd) ниже Т_2N = 19,2 К происходит антифер-ромагн. упорядочение в гексагональных узлах двойной гексагонально-плотноупакованной решётки с модуляцией величины магн. моментов вдоль оси

в базисной плоскости. Темп-ре T_1N - 7,8 К соответствует антиферромагн. упорядочение магн. моментов кубич. узлов. Их величина также модулируется по оси

В самарии (Sm) ниже Т_2N = 106 К магн. моменты соседних слоев атомов с гексагональным окружением ориентируются попарно антипараллельпо, а при Т_1N. = = 13,8 К происходит дополнительное антиферромагн. упорядочение магн. моментов кубич. узлов. Имеющий объёмноцентрированную решётку Еu обладает ниже Т_N = 90 К антиферромагн. геликоидальной структурой, осью к-рой является одна из кубич. осей типа [100]. В Gd ниже Кюри точки Т_C = 293 К возникает ферро-маги. упорядочение. Тербий (Тb), диспрозий (Dy) и гольмий (Но) обнаруживают две температуры магн. фазовых переходов. При охлаждении ниже температуры T_N происходит переход из парамагн. состояния в антиферромагн. состояние с геликоидальной магн. структурой, к-рая существует вплоть до температуры Т_C, где происходит переход в ферромагн. состояние. В Tb, Dy и Но эти температуры соответственно равны T_N = 229, 179, 130 К и Т_С = 220, 85, 19 К.

Эрбий (Ег) при Т < Т_С = 20 К имеет структуру типа ферромагн. спирали, в диапазоне температур 20-50 К осциллируют как поперечные, так и продольные проекции магн. моментов на гексагональную ось (сложная спираль). В интервале температур 52-84 К в Ег реализуется статич. продольная спиновая волна с осцилляцией продольной проекции магн. момента, при этом средние (по времени) значения поперечных составляющих равны нулю. При Т > T_N = 84 К Ег - парамагнетик. Тулий (Тт) при темп-pax Т < Т_С = 32 К имеет ферримагн. структуру, а при Т > 32 К в нём реализуется антиферромагн. структура типа статич. продольной спиновой волны, к-рая разрушается с переходом в па-рамагн. состояние при температуре T_N = 56 К. Кристаллич. решётка Yb состоит из диамагн. двухвалентных ионов Yb²⁺, при Т > 270 К становится существенным вклад в магнетизм парамагн. трёхвалентных ионов Yb³⁺. В Lu проявляется только Паули парамагнетизм, т. к. трёхвалентные ионы Lu³⁺ имеют целиком заполненную 4f-оболочку и не имеют парамагн. момента (J = 0). Данные о празеодиме (Рr) и прометии (Рm) недостаточно надёжны. В РЗЛ металлах, ионы к-рых имеют орбитальный момент L . 0, наблюдаются громадные значения магн. анизотропии (~10⁸ эрг/см³) и гигантская магнитострикция (относит. удлинение .

) при низких температурах.

В сплавах тяжёлых РЗЛ металлов (а также Y и Sc) наблюдаются сложные магн. фазовые переходы и пе-риодич. структуры, характерные для РЗЛ металлов. Паулиевские парамагнетики Y и Lu, имеющие постоянные решётки, отличающиеся лишь на неск. % от параметров решётки большинства тяжёлых РЗЛ элементов, образуют с ними обширные области твёрдых растворов, являясь хорошими магн. разбавителями.

Магнетизм РЗЛ соединений. Синтезировано огромное число РЗЛ соединений, обладающих ферримагн. и ан-тиферромагн. свойствами.

К интерметаллическим соединениям относятся соединения РЗЛ металлов с благородными металлами, Al, Ga, In, Sn, Si и Ge, соединения РЗЛ металлов с 3 d-переходными металлами и др. Наиб, практич. интерес имеют соединения РЗЛ металлов с Fe и Со. Соединения Sm₂Co₁₇, NdCo₅, Nd - Fe - В и др. используются для изготовления мощных магнитов постоянных с макс. магн. энергией, превышающей 32- 28 МГс·Э. Соединения RFe₂ (R - РЗЛ элемент) обладают гигантской магнитострикцией не только при низких (как РЗЛ металлы), но и при комнатных температурах. На их основе изготовлены наиболее эфф. магнитост-ракционные материалы для УЗ-преобразователей, адаптивной оптики и др. Гигантские значения одноионных констант магн. анизотропии (в RCo₅ и RFe₂) и магни-тострикции (в RFe₂), реализующиеся вплоть до комнатных температур, обусловлены в осн. подмагничивающим действием больших эфф. обменных полей, действующих на РЗЛ ионы со стороны подрешёток Fe и Со, благодаря обменной поляризации 3 d-ионами коллективизированных и гибридизированных s-, 3 d- и 5 d-электронов.

Наиб. изученными оксидными РЗЛ соединениями являются ферриты-гранаты R₃Fe₅O₁₂, ортоферриты RFeO₃ и ортохромиты RCrO₃.

Характер магн. упорядочения в них определяется косвенными обменными взаимодействиями РЗЛ ионов и ионов Fe и Сr через ионы О, взаимодействием ионов с кристаллич. полями и антисимметричным обменным Дзялошинского взаимодействием.

В ферритах-гранатах наблюдаются неколлинеарные ферримагн. структуры, в к-рых результирующие магн. моменты подрешёток РЗЛ ионов и Fe антипараллельны, при этом магн. моменты РЗЛ ионов располагаются по поверхности конуса с определённым углом раствора вокруг оси лёгкого намагничивания. Ортоферриты и ортохромиты проявляют слабый ферромагнетизм, т. к. магн. моменты подрешёток железа располагаются не строго антипараллельно. В ортоферритах при понижении температуры до точки Нееля наблюдаются магн. ориен-тационные фазовые переходы. Ортоферриты и ферриты-гранаты получили широкое применение как материалы магнитооптики. Кроме того, ферриты-гранаты используются в СВЧ-технике.

К магнитным полупроводникам относятся соединения P3JI элементов с элементами V и VI групп перио-дич. системы Менделеева (халькогениды и пниктиды, напр. SmS, EuO, EuS, HoN), ферриты-гранаты с избытком двухвалентных ионов Fe²⁺ и ряд др. соединений. В этих магнетиках наблюдается сильное влияние магн. упорядочения на подвижность и концентрацию носителей заряда, а также на ширину запрещённой зоны. Для них характерно т. н. гигантское красное смещение края оптич. поглощения при изменении температуры вблизи точки Кюри, чувствительное к внеш. магн. полю. Магн. упорядочение этих соединений обусловлено косвенным обменным взаимодействием через анионы, прямым обменом за счёт перекрытия орбиталей соседних РЗЛ ионов и РККИ-взаимодействием через электроны проводимости.

Аморфные редкоземельные магнетики

Наиб. изучены аморфные сплавы РЗЛ металлов с переходными 3d-ме-таллами. Аморфная структура характеризуется хим. и структурным беспорядком. Это приводит к большей локализации 3d-электронов, изменению обменных взаимодействий и температур магн. упорядочения по сравнению с кристаллич. аналогами. Кроме ферро- и ферри-магнетизма в аморфных Р. м. наблюдаются также более сложные магн. состояния: сперомагнетизм, аспе-ромагнетизм, сперимагнетизм, миктомагнетизм, спиновое стекло. Аморфные РЗЛ сплавы используются в малогабаритных пост. магнитах с высокой магн. энергией, магнитострикционных материалах, в устройствах термомагн. записи на аморфных плёнках, обладающих перпендикулярной магн. анизотропией и точкой компенсации (либо точкой Кюри) вблизи комнатной температуры.

Литература по редкоземельным магнетикам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.