Файл: Физика магнитных диэлектриков..pdf

А К А Д Е М И Я И А У К G G С

ОРДЕНА ЛЕНИНА ФНЗИКО-ТЕХННЧЕСКНЙ ИНСТИТУТ им. А. Ф. ИОФФЕ

Ф изика

МАГНИТНЫХ

ДИ ЭАЕ КТР ИКОВ

И 3 Д А Т Е Л Ь С Т В О «Н А У К А»

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ЛЕНИНГРАД ■ 1974

В монографии освещается ряд важных разделов физики маг­ нитных диэлектриков. Основное внимание уделяется изложению вопросов, не н-ашедших к настоящему времени достаточного отра­ жения в монографиях и обзорах. Приводится классификация имеющихся магнитоупорпдочешшх диэлектриков. Обсуждаются аспекты современной теории магнетизма, взаимодействия ядерион и электронной спиновой систем, магшітоупругпе эффекты, ли­ нейные и квадратичные магнитооптические явления.

Бнбл.— 430 назв., табл.— 21, рис. — 109.

А в т о р ы:

Г. А . СМОЛЕНСКИЙ, В. Л. ЛЕМАНОВ , Г. М. НЕДЛНН , М. П. ПЕТРОВ, Р. В. ПИСАРЕВ

О т в е т с т в е н н ы іі р е д а к т о р чл.-корр. АИ СССР г. А . СМОЛЕНСКИЙ

IQ Издательство «Наука» 1974

П Р Е Д И С Л О В И Е

Физика магнитных явлений, как и многие раз­ делы физики' твердого тела, за последпие десятилетия полупила колоссальное развитие. Если ранее единствен­ ным видом магнитного упорядочения считалось параллель­ ное расположение спинов — ферромагнетизм, то за по­ следние годы было показано, что существует широкое многообразие магнитных структур. В настоящее время обнаружено огромное количество новых магнитоупорядочеипых веществ и в первую очередь соединений переход­ ных металлов, лантаноидов и актиноидов. Более того, оказалось, что представители ферромагнетиков весьма не­ многочисленны и относятся главным образом к классу металлов.

Одновременно с экспериментальными достижениями в исследовании магнитных кристаллов развивалась кван­ товая теория магнетизма, заново создавались новые раз­ делы (магнон-фопоиное и магион-ядериое взаимодействие, различные виды магнитных резонансов и др.). Успехи в об­ ласти физики магнитных явлений не могли быть столь глубокими и многосторонними без широкого использо­ вания современных физических методов исследования: магнитной нейтронографии, эффекта Мессбауэра, магнит­ ных резонансов, магнитооптики и др.

Весьма существенную роль в этих хгсследоваииях сыграл прогресс в получении чистых металлов и их соеди­ нений в виде поликристаллов, и особенно монокристал­ лов.

Открытие и исследование неметаллических магнитоупорядоченных веществ, (ферритов и других соединений

1* 3

переходных металлов) позволило значительно развить паши представления о магнетизме (косвенный обмен, антиферромагнитиое взаимодействие, поведение при сверх­ высоких частотах). Исследование неметаллов явилось одним из важных этапов в развитии учения о магнетизме.

Нельзя не отметить широкое техническое применение магнитных материалов, в том числе и неметаллических, в важнейших отраслях техники.

Ферриты, обладая высоким удельным сопротивлением, произвели переворот в технике СВЧ (малые вихревые токи и практическое отсутствие скинэффскта) и стали по существу единственным видом запоминающих систем в ряде поколений электронновычислительпых машин. В настоя­ щее время количество ферритовых тороидов, выпускае­ мых в год для ЭВМ, достигает сотни миллиардов.

Неметаллические магпптоупорядочениые диэлектрики явились лучшим объектом для проверки теории Гейзен­ берга—Френкеля. Во многих случаях эти вещества от­ личаются широкой запрещенной зоной, и электроны про­ водимости не оказывают влияния на магнитные свойства.

В настоящей коллективной монографии сделана по­ пытка описать важнейшие свойства магнитоупорядочен­ ных (в ряде случаев для краткости называемых в дальней­ шем магнитными) диэлектриков. При этом авторы ясно сознавали невозможность изложить в одной книге все многообразие проблем, методов и объектов исследования этой бурно развивающейся области физики магнетизма. Кроме того, п.меется весьма обширная литература по раз­ личным проблемам физики магнетизма, включающая та­ кие энциклопедические издания, как монография С. В. Воисовского «Магнетизм» и многотомная серия «Magnetism» под редакцией Т. Радо и Г. Сула. Наконец, авторы принимали во внимание еще и то обстоятельство, что круг специалистов, занятых в магнитных исследова­ ниях, в настоящее время весьма широк и включает не только физиков, но и представителей смежных профессий.

Учитывая все эти соображения, авторы положили в ос­ нову отбора материала и характера изложения следующие принципы:

1)ввести читателя в круг некоторых проблем и пред­ ставлений физики магнитных диэлектриков;

2)изложить физическую сторону дела в форме, доступ­

ной не только специалистам-физикам.

4

\

Естественно, авторы стремились изложить в ішиге те важные проблемы современной физики магнетизма, ко­ торые еще ие успели найти отражения в обзорных статьях и монографиях и рассеяны в периодической литературе. И, конечно, не последнюю роль в выборе материала сы­ грали индивидуальные профессиональные интересы самих авторов.

Можно было бы (но, по-видимому, не нужно) привести длинный список проблем, не затронутых в книге. Отметим лишь, что в книге совершенно не излагаются вопросы ферромагнитного резонанса — на сегодняшний день су­ ществует огромное число монографий, посвященных этой важной области физики магнетизма. Не рассматриваются также в монографии и вопросы, связанные с электронами проводимости и с зонной структурой. Таким образом, фак­ тически эта монография имеет дело с ферромагнитными ди­ электриками, описываемыми в терминах локализованных (на парамагнитных ионах) спинов.

Вглаве 1 дается классификация различных известных

внастоящее время типов магнитного упорядочения, в ос­ нову которой положен характер ориентации моментов различных ионов относительно друг друга. В этой главе также содержится характеристика ряда магнитных кри­ сталлов, относящихся к различным типам кристаллогра­ фической симметрии. Разумеется, здесь приведена лишь незначительная часть из всего огромного числа известных магнитных кристаллов. Выбраны те из них, которые сей­ час наиболее активно изучаются и применяются.

Очень большое число систематизированных сведений о различных магнитных веществах можно найти в специаль­ ных томах серии справочников «Ландольт—Бернштейн».

Вглаве 2 излагаются некоторые теоретические пред­ ставления физики магнитных диэлектриков. Здесь зна­ чительное внимание уделено вопросу о физическом про­ исхождении обменного взаимодействия — возникающей из-за принципа Паули связи перестановочной симметрии координатной и спиновой частей многоэлектроиных функ­ ций.

Вэтой главе получен при весьма общих предположе­ ниях являющийся исходным для физики магиитоупорядочениых систем гейзенберговский гамильтониан обмен­ ного взаимодействия (прямого) двух многоэлектроиных атомов. Поскольку речь идет о диэлектриках, совершенно

5

не рассматриваются те типы обменного взаимодействия,

Описываются также основы метода молекулярного поля, причем изложение ведется таким образом, чтобы под­ черкнуть связь этого метода с теорией Ландау фазовых переходов второго рода. Весьма подробно освещается применение термодинамической теории Ландау для опре­ деления возможных структур магнитного упорядочения. Этот метод иллюстрируется на примере анализа явления слабого ферромагнетизма в a-Fe.,03.

Обсуждаются также возможные особенности магнит­ ного упорядочения в сложных структурах, в частности возможность сосуществования в них ферро- и аптиферромагпитного упорядочения, обусловленных одними лишь обменными взаимодействиями. Кратко рассмотрены фазо­ вые переходы первого рода при магнитном упорядочении.

Специальный параграф посвящен описанию так назы­ ваемой магнитной симметрии магнитных кристаллов и связанных с пей эффектов — пьезомагнитиого и пьезо­ электрического. Здесь в отличие от принятого до сих пор дается определение этих эффектов, отражающее специфику магнитной симметрии не только в линейной, по и в нелиней­ ной области.

В главе 3 рассматривается сверхтонкое взаимодействие между ядерными и электронными спинами в магнитоупо­ рядоченных кристаллах. Наибольшее внимание уделено тем проблемам физики магнетизма, которые могут быть решены при исследовании сверхтонких взаимодействий. Ядерные моменты в этих условиях часто называют естест­ венными атомными зондами. Эти зонды позволяют наблю­ дать и исследовать с необычайно высокой точностью слож­ нейшие явления в магнитных веществах. В основном исследования проводятся путем измерения локальных маг­ нитных полей на ядрах, определения спектров и формы линии ядерного магнитного резонанса и эффекта Мессбау­ эра, а также путем измерения характерных времен ядерной релаксации. При этом удается получить уникальную информацию о таких фундаментальных свойствах и эф­ фектах, присущих магнитным кристаллам, как простран­ ственное распределение спиновой плотности по кристаллу, температурная зависимость намагниченностей отдельных подрешеток, зависимость обменных интегралов от харак-

6

Г л а в а 1

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ФЕРРОII АНТИФЕРРОМАГНИТНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

§ 1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время известно огромное количе­ ство многообразных магнитоупорядоченных (короче, маг­ нитных) веществ как металлов, так и неметаллов (полу­ проводников и диэлектриков). В этом широком классе веществ впервые обнаруженные ферромагнетики являются, пожалуй, даже редкими представителями. Если они и были исторически обнаружены первыми, то только бла­ годаря наиболее простому способу регистрации их магнит­ ных свойств.

С точки зрения современного подхода к магнитному упорядочению, ферромагнетики — это вещества, в которых спины всех атомов (ионов) параллельны друг другу, и в простейшем случае могут быть описаны в терминах еди­ ной магнитной решетки. В более общем случае при магнит­ ном упорядочении возникает несколько магнитных иодрешеток. Каждая подрешетка объединяет ноны, у которых среднее термодинамическое значение вектора (точнее, псевдовектора) магнитного момента одинаково. Более того, существуют такие магнитные кристаллы (спиральные, геликоидальные структуры), которые вообще не могут быть описаны в терминах конечного числа магнитных под­ решеток.

В этой главе принимается следующая классификация магнитоупорядочеиных веществ.

Ввиду важного значения суммарного спонтанного маг­ нитного момента т 0 как макроскопической характери­ стики будем рассматривать по отдельности два класса веществ — с т 0=^=0 и т 0=0.

Дальнейшую классификацию целесообразно произ­ вести внутри каждого из этих классов.

8