Ферримагнетизм - Ferrimagnetism

Ферримагнитное упорядочение

Ферримагнитная материал является материал , который имеет население атомов с противоположными магнитными моментами , как и в антиферромагнетизмом . Для ферримагнетиков эти моменты не равны по величине, поэтому спонтанная намагниченность сохраняется. Это может, например, произойти, когда популяции состоят из разных атомов или ионов (таких как Fe 2+ и Fe 3+ ).

Ферримагнетизм часто путают с ферромагнетизмом . Самое старое известное магнитное вещество магнетит (Fe 3 O 4 ) был классифицирован как ферромагнетик до того, как Луи Неель открыл ферримагнетизм в 1948 году. С момента открытия ферримагнетика были найдены многочисленные применения, такие как пластины для жестких дисков и биомедицинские приложения.

История

До двадцатого века все природные магнитные вещества назывались ферромагнетиками. В 1936 году Луи Нил опубликовал статью, в которой предлагал существование новой формы кооперативного магнетизма, которую он назвал антиферромагнетизмом. Работая с Mn 2 Sb, французский физик Шарль Гийо обнаружил, что современные теории магнетизма неадекватны для объяснения поведения материала, и создал модель для объяснения этого поведения. В 1948 году Неэль опубликовал статью о третьем типе кооперативного магнетизма, основанную на предположениях модели Гийо. Он назвал это ферримагнетизмом. В 1970 году Неелс был удостоен Нобелевской премии по физике за свои работы в области магнетизма .

Физическое происхождение

➀ Ниже точки компенсации намагничивания ферримагнитный материал является магнитным. ➁ В точке компенсации магнитные компоненты компенсируют друг друга, и общий магнитный момент равен нулю. ➂ Выше температуры Кюри материал теряет магнетизм.

Ферримагнетизм имеет то же физическое происхождение, что и ферромагнетизм и антиферромагнетизм . В ферримагнетиках намагниченность также вызывается комбинацией диполь-дипольных взаимодействий и обменных взаимодействий, вытекающих из принципа исключения Паули . Основное отличие состоит в том, что в ферримагнетиках в элементарной ячейке материала находятся разные типы атомов . Пример этого можно увидеть на рисунке справа. Здесь атомы с меньшим магнитным моментом указывают в направлении, противоположном направлению больших моментов. Это устройство аналогично расположению в антиферромагнитных материалах, но в ферримагнетиках суммарный момент отличен от нуля, поскольку противоположные моменты различаются по величине.

Ферримагнетики имеют критическую температуру, выше которой они становятся парамагнитными, как и ферромагнетики. При этой температуре (называемой температурой Кюри ) происходит фазовый переход второго рода, и система больше не может поддерживать спонтанную намагниченность. Это связано с тем, что при более высоких температурах тепловое движение настолько велико, что превышает тенденцию диполей к выравниванию.

Вывод

Существуют различные способы описания ферримагнетиков, самый простой из которых - теория среднего поля . В теории среднего поля поле, действующее на атомы, можно записать как:

Где - поле приложенного магнитного поля, а - поле, вызванное взаимодействиями между атомами. Следующее предположение тогда следующее:

Здесь - средняя намагниченность решетки, - коэффициент молекулярного поля. Когда мы позволяем и быть зависимыми от позиции и ориентации, мы можем записать это в форме:

Здесь - поле, действующее на i- ю подструктуру, и - коэффициент молекулярного поля между i- й и k- й подструктурой. Для двухатомной решетки мы можем обозначить два типа узлов, A и B. Мы можем обозначить количество магнитных ионов в единице объема, долю магнитных ионов на узлах A и долю на узлах B. Тогда это дает:

Можно показать то и то, если только структуры не идентичны. способствует параллельному выравниванию и , в то время как способствует антипараллельному выравниванию. Для ферримагнетиков, поэтому будет удобно принять за 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 определяют соотношение сил взаимодействий. Наконец, введем приведенные намагниченности:

со вращением i- го элемента. Затем это дает для полей:

Решения этих уравнений (здесь опущены) даются формулами

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 их необходимо решить численно, чтобы найти температурную зависимость .

Влияние температуры

В отличие от ферромагнетизма формы кривых намагничивания ферримагнетизма могут принимать самые разные формы в зависимости от силы взаимодействий и относительного количества атомов. Наиболее заметными примерами этого свойства являются то, что направление намагничивания может меняться при нагревании ферримагнитного материала от абсолютного нуля до его критической температуры, и что сила намагниченности может увеличиваться при нагревании ферримагнитного материала до критической температуры, и то и другое не может произойти. для ферромагнитных материалов. Эти температурные зависимости также экспериментально наблюдались в NiFe 2/5 Cr 8/5 O 4 и Li 1/2 Fe 5/4 Ce 5/4 O 4 .

Температура ниже температуры Кюри , но при которой противоположные магнитные моменты равны (что приводит к нулевому чистому магнитному моменту), называется точкой компенсации намагниченности. Эта точка компенсации легко наблюдается в гранатах и ​​сплавах редкоземельных элементов с переходными металлами (RE-TM). Кроме того, ферримагнетики также могут иметь точку компенсации углового момента , в которой чистый угловой момент равен нулю. Эта точка компенсации является решающей для достижения высокой скорости перемагничивания в устройствах магнитной памяти.

Влияние внешних полей

Теоретическая модель от намагниченности м от магнитного поля ч . Начиная с начала координат, восходящая кривая - это начальная кривая намагничивания . Нисходящая кривая после насыщения вместе с нижней кривой доходности образуют основной цикл . Пересечения h c и m rs представляют собой остаточную коэрцитивность и насыщенность .

Когда ферримагнетики подвергаются воздействию внешнего магнитного поля, они проявляют так называемый магнитный гистерезис , когда магнитное поведение зависит от истории магнита. Они также демонстрируют намагниченность насыщения ; эта намагниченность достигается, когда внешнее поле достаточно велико, чтобы все моменты были выровнены в одном направлении. Когда эта точка достигнута, намагниченность не может увеличиваться, так как больше нет моментов для выравнивания. При снятии внешнего поля намагниченность ферримагнетика не исчезнет, ​​но ненулевая намагниченность останется. Этот эффект часто используется при применении магнитов. Если впоследствии приложить внешнее поле в противоположном направлении, магнит будет размагничиваться дальше, пока в конечном итоге не достигнет намагниченности . Такое поведение приводит к так называемой петле гистерезиса .

Свойства и использование

Ферримагнетики обладают высоким удельным сопротивлением и анизотропными свойствами. Анизотропии фактически индуцированный внешнее приложенное поле. 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 или частотой прецессии . В качестве конкретного примера, микроволновый сигнал, поляризованный по кругу в том же направлении, что и эта прецессия, сильно взаимодействует с магнитными дипольными моментами ; когда он поляризован в противоположном направлении, взаимодействие очень низкое. При сильном взаимодействии микроволновый сигнал может проходить через материал. Это свойство направленности используется при создании 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, могут использоваться для хранения тепловой энергии .

Примеры

Самый старый известный магнитный материал, магнетит , представляет собой ферримагнитное вещество. В тетраэдрических и октаэдрических участках его кристаллическая структура обладает противоположным спином. Другие известные ферримагнетики включают железо-иттриевый гранат (ЖИГ); кубические ферриты, состоящие из оксидов железа с другими элементами, такими как алюминий , кобальт , никель , марганец и цинк ; и гексагональные ферриты, такие как PbFe 12 O 19 и BaFe 12 O 19 и пирротин , Fe 1-x S.

Ферримагнетизм также может возникать в одномолекулярных магнитах . Классическим примером является додеканоядерная молекула марганца с эффективным спином S = 10, полученная в результате антиферромагнитного взаимодействия на металлических центрах Mn (IV) с металлическими центрами Mn (III) и Mn (II).

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки