Слабый ферромагнетизм - существование в антиферромагнетиках спонтанного ферромагн. момента (СФМ), величина к-рого мала по сравнению
с намагниченностью подрешёток. С. ф. существует у большого числа антиферромагнетиков;
наблюдался в природных кристаллах гематита
задолго до того, как было открыто явление антиферромагнетизма [1].
Долгое время считалось, что наблюдаемый ферромагнетизм обусловлен
примесями других, ферромагн. окислов железа, пока это явление не было обнаружено
в химически чистых образцах NiF2 [2] (см. табл.), МnСО3
и СоСО3 [3]. После этого была построена термодинамич.
теория С. ф. в антиферромагнетиках (И. Е. Дзялошинский, 1957, [4]).
Рис. 1. Зависимость молярной намагниченности Ммол монокристалла МnСО3 от внешнего поля H, приложенного вдоль тригональной оси Oz (Mz) и перпендикулярно ей (Мху) при Т = 4,2К.
Вещества со С. ф. обнаруживают характерную магн. анизотропию. СФМ направлен
либо вдоль одного выделенного кристаллографич. направления, либо в плоскости,
перпендикулярной гл. оси тригональных или гексагональных кристаллов (базисная
плоскость). Типичные кривые намагничивания показаны на рис. 1 на примере
МnСO3. При любом направлении магн. поля Н в базисной плоскости
ху возникает параллельная ему намагниченность Мху, к-рая зависит от H (начиная с полей ~1 кЭ) по закону:
где
- величина СФМ, - магн. восприимчивость в плоскости ху, HD - эфф.
поле Дзялошинского. Если вектор H направлен перпендикулярно базисной
плоскости (вдоль оси Oz), то
Величина
составляет небольшую долю от намагниченности подрешёток Мп
(п - номер подрешётки). Температурная зависимость
(Т)(рис. 2) аналогична Мп(Т), если в веществе
при изменении Т не происходит перехода из одной антиферромагн. структуры
(АС) в другую. Для температурной зависимости
характерно наличие острого максимума в Нееля точке (Т = ТN)(рис. 3).
С. ф. возникает в тех антиферромагнетиках, группа магнитной симметрии к-рых допускает одновременно как антиферромагн., так и ферромагн. упорядочение. Найдены все пространств. и точечные группы магн. симметрии, допускающие существование С. ф. [5. 6].
Рис. 2. Температурная зависимость а0 для СоСО3
(в единицах СГСМ на моль).
Рис. 3. Температурная зависимость молярной магнитной восприимчивости для СоСО3.
Термодинамическая теория С. ф. основана на разложении термодинамич.
потенциала Ф по компонентам векторов антиферромагнетизма L и намагниченности
М, являющихся линейными комбинациями Мп (напр., в двухподрешёточном
антиферромагнетике L = M1 - М2, М = M1
+ М2). Это разложение должно быть инвариантным относительно
всех преобразований симметрии пространственной группы кристалла. Многие
группы допускают в разложении Ф существование членов вида
. Их наличие приводит к тому, что при установлении антиферромагн. упорядочения
с
возникает
СФМ Mk, величина к-рого может быть рассчитана из ур-ний,
получающихся при минимизации Ф. В случае тригональных структур, обладающих
пространственной группой
,
Коэффициенты при изотропных членах (А к В), обусловленные обменным взаимодействием, во много раз больше коэффициентов при анизотропных релятивистских членах (а, b, d). Коэф. В является осн. константой обменного взаимодействия, определяющей эффективное обменное магн. поле HЕ = BL/2. Минимизация (3) при заданном значении L2 даёт два решения:
1)
(Lx = Ly = 0) и M = 0
- такой магн. структурой обладают FeCO3 и низкотемпературная
модификация
;
2)
и Мх = (d/B)Ly, My = (d/B)Lx,
Mz = 0. При этом возникает СФМ
Этот СФМ мал ввиду малости отношения d/B. Такой магн. структурой
обладают МnСO3, СоСО3, NiCO3 и высокотемпературная
модификация
. Если включить в потенциал член с магн. полем, то минимизация Ф приводит
к ф-лам (1) и (2), в к-рых
,
а
Вектор
перпендикулярен L. Поэтому в веществах со С. ф. векторы намагниченности
подрешёток не направлены строго антипараллельно, а отклоняются на небольшой
угол
от оси антиферромагнетизма (рис. 4, а). В принципе возможен и продольный
С. ф. благодаря различию величин векторов Мп строго антипараллельных
подрешёток. Однако во всех известных случаях С. ф.
. При перемагничивании вместе с
должен менять знак и L, т. е. подрешётки должны поворачиваться на
180°.
Рис. 4. Образование за счёт скоса векторов намагниченности подрешёток мп: а - слабого ферромагнетизма в двухподрешёточном антиферромагнетике; б - антиферромагнитной структуры с четырьмя скрещенными подрешётками.
Слагаемое
из (3) описывает Дзялошинского взаимодействие ,такого вида члены
встречаются в ряде пространственных групп тригональных, тетрагональных
и гексагональных сингоний. В нек-рых группах тетрагональных сингоний С.
ф. описывается членом вида
,
а в ромбич. сингониях - членом вида . В моноклинных сингониях подобная
сумма содержит четыре члена. В большинстве групп гексагональной и кубической
сингоний С. ф. описывается членами шестого и четвёртого порядка по
[5].
Для антиферромагнетиков с четырьмя и более подрешётками существует неск.
векторов L, описывающих разл. антиферромагн. структуры АС. Поэтому
в выражение для потенциала Ф могут входить члены типа
(р, q - номера АС), к-рые приводят к возникновению АС со скрещенными
подрешётками, не обладающих С. ф. (рис. 4, б).
В микроскопической теории С. ф. рассматривают самый общий вид
спинового гамильтониана, удовлетворяющий симметрии данного кристалла:
Здесь
- операторы компонент спинов магн. ионов, расположенных в узлах
;
-
тензор, описывающий их взаимодействие;
-
константа одноионной анизотропии. Первый член содержит как обычную изотропную
часть (i = k), к-рая описывает обменное взаимодействие, так
и анизотропную часть
. Последняя описывает анизотропию, обусловленную межионным взаимодействием,
а также С. ф. Ответственная за С. ф. часть гамильтониана может быть представлена
в виде
. Вектор Дзялошинского
соответствует константе а в разложении (3). В рассмотренных выше
тригональных кристаллах
направлен параллельно оси
.
Второй член описывает одноионную анизотропию, и обычно коэф.
не
зависят от номера узла. Однако в нек-рых тетрагональных кристаллах оси
симметрии в двух эквивалентных узлах элементарной ячейки повёрнуты на 90°
и соответственно
.
В этом случае С. ф. обусловлен
не анизотропным обменом, а одноионной анизотропией.
Фазовые переходы. В отличие от обычных антиферромагнетиков, в антиферромагнетиках со С. ф. при Т > TN магн. поле вызывает антиферромагн. упорядочение с вектором L, перпендикулярным приложенному полю. Подобно ферромагнетикам у антиферромагнетиков со С. ф. в магн. поле (параллельном С. ф. моменту) нет различия в магн. симметрии при темп-pax выше и ниже критической [9]. С этим обстоятельством связано возникновение показанного на рис. 3 пика магн. восприимчивости.
В кристаллах, у к-рых симметрия допускает существование С. ф., наблюдаются
специфич. магнитные фазовые переходы. Во-первых, переходы, обусловленные
изменением с температурой соотношения констант магн. анизотропии, приводящие
к повороту L от одного кристаллографич. направления к другому. В
результате такого поворота антиферромагнетик может переходить из состояния
со С. ф. в чисто антиферромагн. состояние (переход Морина в
) или в состояние, где С. ф. сохраняется, но происходит соответствующий
поворот вектора СФМ. Подобные ориентационные фазовые переходы в
нек-рых ортоферритах и ортохромитах происходят постепенно, и процесс переориентации
ограничен сверху и снизу по температуре двумя фазовыми переходами 2-го рода
[7]. Во-вторых, наблюдаются фазовые переходы из чисто антиферромагн. состояния
в состояние со С. ф. под действием магн. поля. Такие переходы происходят
в легкоосных антиферромагнетиках, если Н приложено перпендикулярно
лёгкой оси. Магн. поле вызывает поворот вектора L в плоскости, перпендикулярной
Н, и возникновение СФМ вдоль Н. В четырёхподрешёточных антиферромагнетиках
возможен индуцированный магн. полем переход 1-го рода в состояние со С.
ф., сопровождающийся перестройкой АС.
В веществах, симметрия к-рых допускает существованне С. ф., но анизотропия такова, что вещество переходит в чисто антиферромагн. состояние, в области вблизи TN могут наблюдаться аномалии в температурной зависимости восприимчивости, аналогичные показанной на рис. 3.
Свойства некоторых антиферромагнетиков со слабым ферромагнетизмом
А. С. Боровик-Романов
|
|
 |
