Магнитные измерения в физике твёрдого тела позволяют получать критически важную информацию о структуре, фазовом состоянии, электронных и спиновых взаимодействиях, а также о магнитоэлектрических и магнитооптических свойствах материалов. Они применяются для исследования ферромагнетиков, антиферромагнетиков, спиновых стёкол, парамагнетиков и диамагнетиков. Эти методы основаны на точном измерении магнитного отклика материала на внешнее магнитное поле.
Магнитная восприимчивость χ характеризует степень намагничивания материала под действием внешнего магнитного поля:
M = χH
где M — намагниченность, H — напряжённость магнитного поля. Величина χ может быть скалярной или тензорной, в зависимости от симметрии кристалла.
Для линейных, изотропных сред χ является константой. Однако в реальных твёрдых телах χ нередко зависит от температуры, частоты поля, а также от величины самого поля. Особенно важна температурная зависимость χ для исследования фазовых переходов, таких как переход Парамагнетик → Ферромагнетик.
Для ферромагнетиков наблюдается кривая Кюри–Вейсса:
$$ \chi(T) = \frac{C}{T - \theta} $$
где C — постоянная Кюри, θ — температура Вейсса. При T = θ происходит фазовый переход второго рода.
Вибрационный магнитометр основан на индукционном принципе: образец помещается в постоянное магнитное поле и подвергается гармоническим колебаниям. Изменяющийся магнитный поток индуцирует ЭДС в катушках, которая пропорциональна магнитному моменту образца.
Ключевые характеристики:
Метод позволяет строить кривые намагничивания M(H), выявлять коэрцитивную силу, остаточную намагниченность и петли гистерезиса.
SQUID — наиболее чувствительный прибор для измерения магнитных полей и намагниченности. Его чувствительность достигает уровня 10⁻⁸ – 10⁻⁹ ЭМЮ.
Принцип действия основан на интерференции токов Джозефсона в сверхпроводящем кольце. Магнитный поток, проходящий через SQUID, вызывает сдвиг фазы волновой функции сверхпроводящего тока, что регистрируется как изменение напряжения.
Преимущества метода:
Обычно SQUID используется в сочетании с магнитными экранами, чтобы исключить влияние внешних магнитных шумов.
Ферромагнитный резонанс — резонансное поглощение переменного магнитного поля образцом, предварительно намагниченным постоянным магнитным полем. Частота резонанса определяется гиромагнитным соотношением:
ω = γHэфф
где γ — гиромагнитное отношение, Hₑфф — эффективное магнитное поле.
Этот метод позволяет:
ФМР особенно полезен для тонкоплёночных систем и наноструктур, в которых резонансные свойства сильно зависят от граничных условий и структуры.
Магнитная форезия — явление перемещения частиц в градиентном магнитном поле, что используется для оценки магнитных сил и градиентов.
Магнитострикция — изменение размеров тела под действием магнитного поля. Для описания используется коэффициент магнитострикции λ, который может быть измерен с использованием тензометров.
Методы измерения магнитострикции:
Магнитострикционные эффекты важны для понимания связи между спином и решёткой, а также для разработки магнитоупругих устройств и сенсоров.
Магнитное гиперточечное расщепление энергетических уровней ядра, обусловленное внутренними магнитными полями, изучается методом Мёссбауэра. Применяется главным образом для ионов Fe, Sn и других тяжёлых элементов.
Этот метод даёт информацию о:
Метод используется для диагностики магнитных фаз и оценки распределения магнитных состояний на атомарном уровне.
Метод магнитной силовой микроскопии основан на регистрации взаимодействий между намагниченным зондом и локальными магнитными полями образца. Он позволяет получить карту магнитных доменов с высоким пространственным разрешением (~10 нм).
Особенности метода:
MFM даёт уникальную возможность визуализировать распределение магнитных моментов с нанометровым разрешением.
Сопротивление материала может существенно зависеть от наличия магнитного поля. Эти эффекты широко используются в исследовании спин-зависимого транспорта:
Эти методы позволяют исследовать спиновые токи, спинтронные эффекты и магнитное рассеяние электронов.
Температурные зависимости магнитных свойств, таких как намагниченность, восприимчивость, коэрцитивность, являются ключевыми для анализа магнитных фазовых переходов и критического поведения.
Частотные зависимости (например, в переменном поле) позволяют исследовать магнитную релаксацию, диссипацию энергии и магнитные потери.
Используются методы:
Частотные и температурные измерения дают представление о динамике магнитных моментов, корреляционной длине и характере магнитных взаимодействий.
Для полной характеристики твёрдого тела магнитные измерения комбинируются с:
Такой подход позволяет строить полную картину поведения спиновой подсистемы в конденсированных средах.