7.4.4. Антиферромагнетизм. Ферримагнетизм

В 1933 году Ландау теоретически предсказал существование в природе таких веществ, в которых обменное взаимодействие вызывает антипараллельное упорядочение спинов, в отличие от ферромагнетиков, где такое упорядочение параллельно. Это тоже должны быть вещества, которые содержат атомы (ионы) с нескомпенсированными спинами электронов на недостроенных электронных оболочках, они также должны иметь доменную структуру, внутри каждого домена тоже должна наблюдаться строгая упорядоченная ориентация спинов. Однако характер этой упорядоченности противоположен тому, который свойствен ферромагнетикам. При отрицательном знаке обменного интеграла  выгодной является антипараллельная ориентация спинов соседних узлов решетки кристалла. В этом случае расположение спинов может быть также упорядоченным, но спонтанная намагниченность не возникает, т. к. спины соседних узлов компенсируют друг друга (рис. 7.20).

 

Рис. 7.20. Магнитная структура окисла марганца MnO (показаны только ионы марганца )

 

Оказалось, что такие вещества действительно существуют, и экспериментально их существование было доказано в 1938 году Биззетом, Сквайром и Тзе. Антиферромагнетиками являются оксид марганца (MnO), сульфид марганца (MnS), хромит никеля (NiCr), оксид хрома (), оксид ванадия () и еще довольно большое число других соединений

Например, магнитная структура MnO рассматривается как сложная структура, состоящая из двух подрешеток, намагниченных противоположно друг другу (рис. 7.20). Как ионы марганца, так и ионы кислорода образуют гранецентрированную кубическую решетку. Эти две решетки скомбинированы таким образом, что ионы металла имеют в качестве ближайших соседей только ионы кислорода, и наоборот (структурный тип NaCl). Магнитная структура ионов  такова, что спины ионов, расположенных в плоскостях (111) гранецентрированной кубической решетки марганца, параллельны, а спины ионов смежных слоев антипараллельны. Очевидно, что моменты ионов в обоих направлениях компенсируются, и тело в целом не обладает спонтанной намагниченностью.

Магнитная структура антиферромагнетиков также подвержена влиянию тепловых колебаний атомов. При абсолютном нуле магнитные моменты подрешеток компенсируют друг друга, и результирующий магнитный момент равен нулю. При повышении температуры антипараллельное расположение спинов постепенно разрушается, и намагниченность антиферромагнетиков повышается. Максимального значения она достигает при температуре Нееля  (рис. 7.21) [65], при достижении которой упорядоченное расположение спинов полностью нарушается и антиферромагнетик становится парамагнетиком. С дальнейшим повышением температуры намагниченность уменьшается, как и в случае парамагнетика, т. е. подчиняется закону Кюри–Вейсса.

 

Рис. 7.21. Зависимость магнитной восприимчивости антиферромагнетика MnO от температуры

 

Зависимость магнитной восприимчивости антиферромагнетика от температуры описывается законом

.

(7.43)

Следует заметить, что обменное взаимодействие между спинами ионов антиферромагнетика косвенно. В нем принимают участие электроны магнитно нейтральных ионов, расположенных между «магнитными ионами».

В антиферромагнетиках магнитные моменты подрешеток одинаковы по величине и противоположны по направлению, поэтому (при абсолютном нуле) они компенсируют друг друга. Но возможны случаи, когда величина магнитного момента подрешеток неодинакова, например вследствие неодинакового количества атомов в подрешетках или же их разной природы. В этом случае появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток и возникает спонтанная намагниченность всего кристалла. Такие материалы называют ферритами, а само явление – ферримагнетизмом.

Внешне поведение феррита сходно с ферромагнетиком, но в силу различия природы намагничивания температурная зависимость спонтанной намагниченности ферритов может быть совершенно иной. Намагниченность ферритов может убывать с повышением температуры не монотонно, а проходить через нуль еще до достижения точки Кюри.

Ферриты представляют собой твердые растворы, состоящие из окиси железа () и окислов одного или нескольких металлов. В состав ферритов могут входить окислы лития (Li), цинка (Zn), никеля (Ni), кадмия (Cd), свинца (Pb), меди (Cu), магния (Mg), марганца (Mn) и других металлов. Наиболее распространенный феррит – магнетит . В нем отрицательные ионы кислорода образуют кубическую гранецентрированную решетку, в которой на каждую молекулу  приходится один двухвалентный  и два трехвалентных  иона железа. Двухвалентные ионы железа могут быть замещены ионами других двухвалентных металлов (Mg, Ni, Co, Mn, Cu и т. д.).

Одна из подрешеток образуется половиной трехвалентных ионов железа, другая – второй половиной трехвалентных ионов и двухвалентными ионами железа или замещающего его металла. Магнитные моменты подрешеток направлены антипараллельно (рис. 7.22). Поэтому магнитный момент трехвалентных ионов компенсируется, а двухвалентных – нет, за счет них и происходит спонтанное намагничивание.

 

Рис. 7.22. Расположение спиновых магнитных моментов в феррите

 

Особенность ферритов – сочетание очень хороших магнитных свойств, малая коэрцитивная сила, высокое значение магнитного насыщения и очень высокое электрическое сопротивление. Поэтому ферриты незаменимы в сверхвысокочастотной технике, где обычные ферромагнитные материалы, обладающие низким сопротивлением, применяться не могут из-за очень высоких потерь на образование вихревых токов Фуко.

Широкое применение в качестве ячеек памяти получили ферриты, имеющие прямоугольную петлю гистерезиса (рис. 7.18, в). Постоянные магниты, изготовленные из феррита, успешно соперничают с электромагнитами.

Сейчас чаще стали использовать ферромагнитные материалы для устройств накопления и хранения информации. Одно из таких устройств, без которых не мог бы работать ни один современный компьютер, − жесткий магнитный диск, или винчестер (рис. 7.23).

Рис. 7.23. Внешний вид винчестера со снятой крышкой

 

Основная часть винчестера − магнитные диски, которые представляют собой пластины из алюминия, стекла или керамики с нанесенным на них слоем высококачественного ферромагнетика. Состав магнитного покрытия достаточно сложен, оно, как правило, наносится путем напыления или вакуумного осаждения. Первые диски имели покрытие из оксида железа, сегодня в качестве материалов для магнитного покрытия используются как материалы на основе железа и его окислов, так и пленки других магнитных металлов. Покрытия на основе окислов железа и бариевых ферритов являются достаточно мягкими, поэтому их применение в новых разработках почти прекратилось. Металлические пленочные покрытия обеспечивают более высокую плотность записи и прочность поверхности диска. После нанесения покрытия диски подвергаются специальной обработке для обеспечения высококачественной поверхности. Обработанные диски собирают в один пакет (обычно в пакете содержится от 2 до 12 дисков) и закрепляют на оси, устанавливаемой в привод. Запись и считывание информации с дисков производится с помощью магнитных головок (рис. 7.24), способных позиционироваться над рабочей поверхностью диска с очень большой точностью.

Рис. 7.24. Схематическая иллюстрация устройства для записи и чтения информации на магнитном  диске с ферромагнетиком γ-Fe2O3 в винчестере [93]

 

Отдельные участки магнитного покрытия могут быть намагничены одним из двух возможных способов, которые обозначают ноль и единицу (т. е. 1 байт). Такая намагниченная область представляет собой магнитный домен. Если задать намагниченность домена, информация будет записана. Плотность записи информации определяют размеры самого домена. Чтобы записать один бит информации, головка винчестера создает определенным образом направленное магнитное поле, которое ориентирует все элементарные магнитные моменты домена преимущественно в одном направлении. Эта ориентация сохраняется в течение длительного времени после того, как головка прекратила свое воздействие на ферромагнетик.