ФЕРРИМАГНЕТИЗМ

ФЕРРИМАГНЕТИЗМ магнитное
состояние вещества, при к-ром элементарные магнитные моменты ионов,
входящих в состав вещества (ферромагнетика), образуют две или большее
число подсистем - магнитных подрешёток. Каждая из подрешёток содержит ионы
одного сорта с одинаково ориентированными магнитными моментами. Магнитные
моменты ионов разных подрешёток направлены навстречу друг другу или, в
более общем случае, образуют сложную пространственную конфигурацию (напр.,
треугольную). Часто число ионов в одной подрешётке в кратное число раз
больше, чем в другой. Простейшая модель ферримагнитной упорядоченности
показана на рис. 1. Самопроизвольная намагниченность J вещества
в ферримагнитном состоянии равна векторной сумме намагниченностей всех
подрешёток. Ф. можно рассматривать как наиболее общий случай магнитного
упорядоченного состояния. С этой точки зрения ферромагнетизм есть
частный случай Ф., когда в веществе имеется только одна подрешётка.

Антиферромагнетизм есть
частный случай Ф., когда все подрешётки состоят из одинаковых магнитных
ионов и J = 0. Термин "ферримагнетизм" был введён Л. Неелем (1948)
и происходит от слова феррит - названия большого класса окислов
переходных элементов, в к-рых это явление было впервые обнаружено.

Необходимым условием существования
Ф. является наличие в веществе положительных ионов (катионов) элементов
с незаполненной (d- или f-) электронной оболочкой, обладающих
собственным магнитным моментом. Между ионами различных подрешёток должно
существовать отрицательное обменное взаимодействие, стремящееся
установить их магнитные моменты антипараллельно. Как правило, это взаимодействие
является косвенным обменным взаимодействием, т. е. осуществляется путём
обмена электронами через промежуточный немагнитный анион (напр.,
ион кислорода, рис. 2).

При высоких темп-pax, когда
энергия теплового движения много больше обменной энергии, вещество обладает
парамагнитными свойствами (см. Парамагнетизм). Температурная зависимость
магнитной
восприимчивости парамагнетиков, в к-рых при низких темп-pax возникает
Ф., обладает характерными особенностями, показанными на рис. 3. Обратная
восприимчивость (1/х) таких веществ следует Кюри-Вейса закону
с
отрицательной константой О = d при высоких темп-pax, а при понижении
темп-ры круто спадает, стремясь к нулю при Т -> ОКюри точке Окогда энергия обменного взаимодействия
становится равной энергии теплового движения в веществе, возникает ферримагнитная
упорядоченность. В большинстве случаев переход в упорядоченное состояние
является фазовым переходом 2-го рода и сопровождается характерными
аномалиями теплоёмкости, линейного расширения, гальваномагнитных и др.
свойств.

Возникающая ферримагнитная
упорядоченность моментов описывается определённой магнитной структурой,
т.
е. разбиением кристалла на магнитные подрешётки, величиной и направлением
векторов их намагниченностей. Магнитная структура может быть определена
методами дифракции нейтронов (см. Дифракция частиц). Образование
той или иной магнитной структуры зависит от кристаллич. структуры вещества
и соотношения величин обменных взаимодействий между различными магнитными
ионами. Обменное взаимодействие определяет только взаимную ориентацию намагниченностей
подрешёток друг относительно друга. Другой их параметр - ориентация относительно
осей кристалла - определяется энергией магнитной анизотропии, к-рая
на неск. порядков меньше обменной энергии.

Существование в ферримагнетике
нескольких различных подрешёток приводит к более сложной темп-рной зависимости
спонтанной намагниченности J, чем в обычном ферромагнетике. Это
связано с тем, что температурные зависимости намагниченности каждой из
подрешёток могут отличаться друг от друга (рис. 4). В результате спонтанная
намагниченность, являющаяся в простейшем случае разностью намагниченностей
подрешёток, с ростом темп-ры от абс. нуля может: 1) убывать монотонно (рис.
4,а), как в обычном ферромагнетике; 2) возрастать при низких темп-pax и
в дальнейшем проходить через максимум (рис. 4,6); 3) обращаться в нуль
при нек-рой фиксированной темп-ре Оточкой компенсации, при Г>Онамагниченность отлична от нуля.

Впервые теоретич. описание
свойств ферримагнетиков было дано Неелем (1948), к-рый показал, что осн.
особенности поведения ферримагнетиков могут быть очень хорошо объяснены
в рамках теории молекулярного поля. Ферримаг-нетики в не очень сильных
магнитных полях (много меньше обменных) ведут себя так же, как ферромагнетики,
т.
к. такие магнитные поля не изменяют магнитной структуры. В отсутствии поля
они разбиваются на домены, имеют характерную кривую намагничивания
с насыщением и гистерезисом. В них наблюдается магнитострикция.
В
ферримагнетиках с неколлинеарными магнитными структурами при доступных
значениях магнитного поля насыщения обычно не наблюдается. Особыми магнитными
свойствами ферримагнетики обладают вблизи точки компенсации. Здесь даже
слабые магнитные поля вызывают взаимный скос и опрокидывание подрешёток.
Вдали от точки компенсации такие изменения магнитной структуры происходят
в сильных (порядка обменных) магнитных полях. При определ. условиях в ферримагнетиках
наблюдается резонансное поглощение электромагнитной энергии (ферримагнитный
резонанс). Изучение Ф. развивалось очень бурно и далеко продвинуло
физику магнитных явлений. Удалось создать теорию ферри-магнетиков-диэлектриков
(большинство ферримагнетиков является диэлектриками); мн. магнитные диэлектрики
стали широко применяться в радиотехнике, СВЧ-технике, вычислит, технике.

Рис. 1. Схематическое изображение
ферримагнитного упорядочения линейной цепочки магнитных ионов разных сортов
с элементарными магнитными моментами м= NмMNм1-й и 2-й подрешёток (N - число ионов данного сорта в единице объёма).
Суммарная намагниченность J=M

Рис. 2. Типичное расположение
ионов в ферримагнитном кристалле: С - немагнитный анион; А, В' и В"
- магнитные катионы 1-й и 2-й подрешёток. Основное косвенное взаимодействие
между А и В', В" - отрицательно. Взаимодействие В' -В" - мало.

Рис. 3. Температурная зависимость
обратной магнитной восприимчивости 1/х: 1 - парамагнетика с х = С/ Т;
2 - ферромагнетика с х = С/(Т - О)', 3 - антиферромагнетика
с х = С/(Т+ 0); 4 - ферри-магнетика.

Рис.4. Различные типы температурной
зависимости намагниченности подрешёток MМи
спонтанной намагниченности J для ферримаг-нетика с двумя магнитными
подрешётками.

Лит..Смит Я., Вейн X., Ферриты,
пер. с англ., М., 1962; Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики,
М., 1965; Гуревич А. Г., Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках,
М., 1973; Смоленский Г. А., Леманов В. В., Ферриты и их техническое применение,
Л., 1975; см. также лит. при статьях

Антиферромагнетизм, Ферромагнетизм.

Л. С. Боровик-Романов.