Ферримагнетик — это материал, который имеет популяции атомов с противоположными магнитными моментами , как в антиферромагнетизме , но эти моменты неравны по величине, поэтому сохраняется спонтанная намагниченность . [1] Это может произойти, например, когда популяции состоят из разных атомов или ионов (таких как Fe 2+ и Fe 3+ ).
Как и ферромагнитные вещества, ферримагнитные вещества притягиваются магнитами и могут быть намагничены , образуя постоянные магниты . Самое старое известное магнитное вещество, магнетит (Fe 3 O 4 ), было классифицировано как ферромагнетик до того, как Луи Неель открыл ферримагнетизм в 1948 году. [2] С момента открытия было найдено множество применений ферримагнитных материалов, таких как пластины жестких дисков и биомедицинские приложения.
До двадцатого века все встречающиеся в природе магнитные вещества назывались ферромагнетиками. В 1936 году Луи Неель опубликовал статью, в которой предположил существование новой формы кооперативного магнетизма, которую он назвал антиферромагнетизмом. [3] Работая с Mn 2 Sb, французский физик Шарль Гийо обнаружил, что современные теории магнетизма недостаточны для объяснения поведения материала, и создал модель, объясняющую это поведение. [4] В 1948 году Неель опубликовал статью о третьем типе кооперативного магнетизма, основанном на предположениях модели Гийо. Он назвал это ферримагнетизмом. В 1970 году Неель был удостоен Нобелевской премии по физике за свои работы в области магнетизма . [5]
Ферримагнетизм имеет ту же физическую природу, что и ферромагнетизм и антиферромагнетизм . В ферримагнетиках намагниченность также обусловлена комбинацией диполь-дипольных взаимодействий и обменных взаимодействий, возникающих в результате принципа Паули . Основное отличие состоит в том, что в ферримагнитных материалах в элементарной ячейке материала присутствуют атомы разных типов . Пример этого можно увидеть на рисунке выше. Здесь атомы с меньшим магнитным моментом направлены в направлении, противоположном направлению больших моментов. Такое расположение аналогично тому, которое присутствует в антиферромагнетиках, но в ферримагнитных материалах суммарный момент отличен от нуля, поскольку противоположные моменты различаются по величине.
Ферримагнетики имеют критическую температуру, выше которой они становятся парамагнитными , как и ферромагнетики. [6] При этой температуре (называемой температурой Кюри ) происходит фазовый переход второго рода , [7] и система больше не может поддерживать спонтанную намагниченность. Это связано с тем, что при более высоких температурах тепловое движение настолько сильное, что превышает тенденцию диполей к выравниванию.
Существуют различные способы описания ферримагнетиков, самый простой из которых — теория среднего поля . В теории среднего поля поле, действующее на атомы, можно записать как
где – приложенное магнитное поле , – поле, вызванное взаимодействием между атомами. Тогда следующим предположением является
Здесь – средняя намагниченность решетки, – коэффициент молекулярного поля. Когда мы позволяем и зависеть от положения и ориентации, мы можем записать его в форме
где – поле, действующее на i -ю субструктуру, – коэффициент молекулярного поля между i -й и k -й субструктурами. Для двухатомной решетки мы можем обозначить два типа узлов: a и b . Мы можем обозначить количество магнитных ионов в единице объема, долю магнитных ионов в узлах a и долю в узлах b . Это тогда дает
Можно показать то и то, если только структуры не идентичны. предпочитает параллельное выравнивание и , а антипараллельное выравнивание. Для ферримагнетиков , поэтому будет удобно принять положительную величину и явно поставить перед ней знак минус. Для полных полей на a и b это дает
Кроме того, мы введем параметры и которые дают соотношение сил взаимодействий. Наконец, мы введем приведенные намагниченности.
со спином i -го элемента. Затем это дает полям:
Решения этих уравнений (здесь опущены) имеют вид
где – функция Бриллюэна . Самый простой случай, который нужно решить сейчас, — это . Поскольку , это дает следующую пару уравнений:
с и . Эти уравнения не имеют известного аналитического решения, поэтому для нахождения температурной зависимости их необходимо решать численно .
В отличие от ферромагнетизма, кривые намагничивания ферримагнетизма могут принимать самую разную форму в зависимости от силы взаимодействий и относительного содержания атомов. Наиболее яркими примерами этого свойства являются то, что направление намагничивания может измениться при нагревании ферримагнитного материала от абсолютного нуля до критической температуры, и что сила намагничивания может увеличиться при нагревании ферримагнитного материала до критической температуры, причем оба этих явления не могут произойти. для ферромагнитных материалов. Подобные температурные зависимости экспериментально наблюдались также в NiFe 2/5 Cr 8/5 O 4 [8] и Li 1/2 Fe 5/4 Ce 5/4 O 4 . [9]
Температура ниже температуры Кюри , но при которой противоположные магнитные моменты равны (в результате чего чистый магнитный момент равен нулю), называется точкой компенсации намагниченности. Эта точка компенсации легко наблюдается в гранатах и сплавах редкоземельных металлов с переходными металлами (РЭ-ТМ). Кроме того, ферримагнетики также могут иметь точку компенсации углового момента , в которой чистый угловой момент исчезает. Эта точка компенсации имеет решающее значение для достижения быстрого перемагничивания в устройствах магнитной памяти.
Когда ферримагнетики подвергаются воздействию внешнего магнитного поля, они проявляют так называемый магнитный гистерезис , при котором магнитное поведение зависит от истории магнита. Они также обладают намагниченностью насыщения ; эта намагниченность достигается, когда внешнее поле достаточно сильное, чтобы заставить все моменты выровняться в одном направлении. При достижении этой точки намагниченность не может увеличиваться, так как моментов для выравнивания больше нет. При снятии внешнего поля намагниченность ферримагнетика не исчезает, а остается ненулевая намагниченность. Этот эффект часто используется в приложениях магнитов. Если впоследствии приложить внешнее поле противоположного направления, магнит будет размагничиваться дальше, пока в конечном итоге не достигнет намагниченности . Такое поведение приводит к возникновению так называемой петли гистерезиса . [10]
Ферримагнетики обладают высоким удельным сопротивлением и обладают анизотропными свойствами. Анизотропия фактически наводится внешним приложенным полем . Когда это приложенное поле выравнивается с магнитными диполями, оно вызывает чистый магнитный дипольный момент и заставляет магнитные диполи прецессировать с частотой, контролируемой приложенным полем, называемой ларморовской частотой или частотой прецессии . В качестве конкретного примера, микроволновый сигнал, циркулярно поляризованный в том же направлении, что и эта прецессия, сильно взаимодействует с магнитными дипольными моментами ; когда он поляризован в противоположном направлении, взаимодействие очень мало. Когда взаимодействие сильное, микроволновый сигнал может проходить через материал. Это свойство направленности используется в конструкции микроволновых устройств, таких как изоляторы , циркуляторы и гираторы . Ферримагнитные материалы также используются для изготовления оптических изоляторов и циркуляторов . Ферримагнитные минералы в различных типах горных пород используются для изучения древних геомагнитных свойств Земли и других планет. Эта область исследований известна как палеомагнетизм . Кроме того, было показано, что ферримагнетики, такие как магнетит , можно использовать для хранения тепловой энергии . [11]
Самый старый известный магнитный материал, магнетит , является ферримагнитным веществом. Тетраэдрические и октаэдрические участки его кристаллической структуры имеют противоположный спин . Другие известные ферримагнитные материалы включают железо-иттриевый гранат (YIG); кубические ферриты, состоящие из оксидов железа с другими элементами, такими как алюминий , кобальт , никель , марганец и цинк ; и ферриты гексагонального или шпинелевого типа, включая феррит рения ReFe 2 O 4 , PbFe 12 O 19 и BaFe 12 O 19 и пирротин Fe 1- x S. [12]
Ферримагнетизм также может возникать в одномолекулярных магнитах . Классическим примером является додекануклеарная молекула марганца с эффективным спином S = 10, образовавшаяся в результате антиферромагнитного взаимодействия металлоцентров Mn(IV) с металлоцентрами Mn(III) и Mn(II). [13]
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)