Антиферромагнетизм

АНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМ (от анти... и ферромагнетизм), одно из магнитоупорядоченных состояний твёрдого тела, в котором магнитные моменты соседних атомов (ионов) взаимно компенсируются в пределах элементарной ячейки (в простейшем случае антипараллельны), так что полный магнитный момент (намагниченность) тела близок к нулю. Этим антиферромагнетизм отличается от других магнитоупорядоченных состояний, в которых магнитные моменты отдельных атомов (ионов) либо параллельны (ферромагнетизм), либо антипараллельны, но не компенсируются полностью, что приводит к достаточно большой намагниченности (ферримагнетизм).

Вещества, в которых возникает антиферромагнитное упорядочение, называются антиферромагнетиками. Среди химических элементов антиферромагнетиками являются переходные металлы группы железа (марганец и хром), многие редкоземельные металлы и актиноиды, а также α-модификация твёрдого кислорода. Известно несколько тысяч веществ, которые являются антиферромагнетиками, и их число постоянно растёт. Антиферромагнитное упорядочение наблюдается в сплавах, неорганических и органических соединениях различной стехиометрии, в диэлектриках, полупроводниках и металлах.

Экспериментально антиферромагнитное упорядочение было обнаружено сравнительно недавно (1930-е годы), хотя гипотеза о его возможности была высказана П. Вейсом в самом начале 20 века. При изучении некоторых оксидов, хлоридов, бромидов и т.п. переходных металлов - марганца, железа, никеля, кобальта - на температурной зависимости их магнитной восприимчивости был обнаружен максимум, не характерный для парамагнетиков, которыми эти соединения тогда считались. В начале 1930-х годов Л. Неель и Л. Д. Ландау объяснили эту аномалию переходом из парамагнитного в антиферромагнитное состояние и построили первые теории антиферромагнитного упорядочения. Окончательно существование антиферромагнитного упорядочения было экспериментально подтверждено в 1949 году, когда впервые методом упругого рассеяния медленных нейтронов наблюдалось антиферромагнитное упорядочение в МnО и оксидах переходных элементов группы железа при низких температурах.

Антиферромагнитную структуру можно представить как совокупность нескольких (в простейшем случае двух) магнитных подсистем - магнитных подрешёток, вставленных друг в друга (рис. 1). В каждой подрешётке магнитные моменты атомов (ионов) параллельны друг другу, а направления магнитных моментов различных подрешёток антипараллельны. Такие структуры называются коллинеарными антиферромагнитными структурами.

Антиферромагнитное упорядочение возникает в результате действия двух типов сил. За взаимную ориентацию магнитных моментов ответственно обменное взаимодействие, имеющее электрическую природу. В антиферромагнетиках это взаимодействие ориентирует магнитные моменты ближайших соседних атомов (ионов) антипаралельно друг другу, тогда как магнитные моменты более удалённых атомов (ионов) ориентируются параллельно друг другу. За ориентацию магнитных моментов относительно кристаллографических осей ответственны силы магнитной анизотропии, обусловленные магнитным взаимодействием магнитных моментов соседних атомов (ионов), а также взаимодействием электронов этих атомов (ионов) с внутренними электрическими полями в твёрдом теле.

Антиферромагнитное упорядочение осуществляется только при низких температурах. При повышении температуры из-за разупорядочивающего действия теплового движения возникают флуктуации ориентации магнитных моментов атомов (ионов) антиферромагнетика и средний магнитный момент <μ> каждого магнитного атома (иона) уменьшается. При некоторой температуре (т. н. Нееля точке T_N) <μ> становится равным нулю и антиферромагнитный порядок полностью разрушается: антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. При температуре T_N энергия теплового движения равна энергии обменного взаимодействия, поэтому величина T_N тем больше, чем больше энергия обменного взаимодействия. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что уменьшение <μ> до нуля при повышении температуры до T_N в большинстве антиферромагнетиков происходит плавно, без скачка, и переход из антиферромагнитного в парамагнитное состояние является фазовым переходом II рода. Существуют также антиферромагнетики, в которых при понижении температуры происходит фазовый переход в другие магнитоупорядоченные состояния - ферромагнитное или ферримагнитное. Вблизи T_N наблюдается аномальное поведение теплоёмкости, теплового расширения и модулей упругости антиферромагнетиков.

Переход антиферромагнетизм-парамагнетизм сопровождается аномалиями на температурной зависимости магнитной восприимчивости (рис. 2). Выше T_N магнитная восприимчивость χ подчиняется Кюри — Вейса закону:

χ = С/(Т-θ),

где С - постоянная величина, Т - температура, θ - парамагнитная температура Кюри. Для большинства антиферромагнетиков θ<0. Ниже TN возникает анизотропия магнитной восприимчивости. Так, восприимчивость χ_ll в поле, ориентированном коллинеарно направлению магнитных моментов (это направление называется осью антиферромагнетизма), уменьшается до нуля при понижении температуры до 0 К, а восприимчивость χ₁ в поле, перпендикулярном направлению оси антиферромагнетизма, не зависит от температуры.

В достаточно сильных магнитных полях антиферромагнитное упорядочение разрушается, так как поле стремится ориентировать магнитные моменты подрешёток параллельно. Зависимость намагниченности антиферромагнетика от поля определяется типом антиферромагнитной структуры и ориентацией поля относительно кристаллографических осей. Например, для одноосного антиферромагнетика с магнитной анизотропией типа лёгкая ось (ось антиферромагнетизма параллельна оси кристалла) наблюдаются кривые намагничивания, показанные на рисунке 3. Если поле ориентировано параллельно оси антиферромагнетизма, то при его возрастании антиферромагнитная фаза с коллинеарной магнитной структурой при достижении критического поля Н_с1 скачком переходит в фазу со скошенной антиферромагнитной структурой. При дальнейшем увеличении поля угол скоса возрастает и в поле Н_с2 магнитные моменты подрешёток устанавливаются параллельно друг другу: антиферромагнетик переходит в ферромагнитное состояние (рис. 3, а). Если поле ориентировано перпендикулярно оси антиферромагнетизма, скошенная антиферромагнитная фаза возникает уже в слабых магнитных полях, а при дальнейшем возрастании магнитного поля происходит переход из этой фазы в ферромагнитное состояние (рис. 3, б).

Такое поведение одноосного антиферромагнетика в магнитном поле осуществляется только в том случае, если энергия магнитной анизотропии значительно меньше энергии обменного взаимодействия. В антиферромагнетиках с большой магнитной анизотропией возникновение скошенной магнитной фазы в поле, параллельном оси антиферромагнетизма, становится энергетически невыгодным и переход в ферромагнитную фазу происходит непосредственно из коллинеарной антиферромагнитной фазы. Такие антиферромагнетики получили название метамагнетиков.

Кроме коллинеарных антиферромагнитных структур, известны и более сложные - неколлинеарные антиферромагнитные структуры (смотри Магнитная структура атомная, Слабый ферромагнетизм, Геликомагнетик). Заметные различия обнаруживаются в поведении низкоразмерных магнитных структур с антиферромагнитным обменным взаимодействием.

Возникновение антиферромагнитного упорядочения приводит к ряду явлений, характерных только для него. К ним относятся пьезомагнетизм, линейная магнитострикция, магнитоэлектрический эффект и некоторые оптические и магнитооптические явления. Изучение антиферромагнетизма внесло существенный вклад в развитие физики магнитных явлений, физики фазовых переходов и других фундаментальных проблем.

Техническое применение антиферромагнетиков сравнительно невелико, хотя в последние годы оно значительно расширилось; например, антиферромагнетики со слабым ферромагнетизмом применяются в технике, главным образом в СВЧ-устройствах, а также используются для записи информации.

Лит.: Белов К. П. Редкоземельные магнетики и их применение. М., 1980; Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. М., 1983; Вонсовский С. В. Магнетизм. М., 1984; Карлин Р. Магнетохимия. М., 1989.