Кристаллическая магнитная анизотропия возникает вследствие взаимодействия спинового момента электрона с кристаллическим полем, что приводит к ориентационной зависимости энергии ферромагнитного тела. Эта анизотропия определяется симметрией кристаллической решетки и может быть выражена через энергетические коэффициенты, которые зависят от направления намагниченности относительно осей кристалла.
Ключевые моменты:
Энергия кристаллической анизотропии обычно представляется в виде разложения по степеням косинусов углов между вектором намагниченности и осями кристалла:
Ea = K1sin2θ + K2sin4θ + …
где K1, K2 — коэффициенты анизотропии, а θ — угол между намагниченностью и «легкой» осью.
В кубических кристаллах для точечной симметрии чаще всего используют выражение с четвертой степенью косинуса.
Кристаллическая анизотропия влияет на величину коэрцитивной силы, устойчивость доменных структур и динамику доменных стенок.
Анизотропия формы обусловлена распределением магнитного дипольного поля внутри ферромагнетика. При изменении формы образца изменяется распределение магнитного поля, что приводит к ориентационной зависимости энергии намагниченности.
Основные характеристики:
Для тонких пленок и эллипсоидов форма анизотропии может быть приближенно рассчитана с использованием тензора демагнитизации Nij:
$$ E_{\text{shape}} = \frac{1}{2} \mu_0 M_i N_{ij} M_j $$
Анизотропия формы всегда стремится выровнять намагниченность вдоль «легкой» оси, где демагнитизационный фактор минимален.
В сильно удлиненных образцах, таких как проволоки или иглы, направление намагниченности вдоль длинной оси минимизирует магнитную энергию.
Обменная анизотропия проявляется в системах с сильной спин-спиновой корреляцией и обычно связана с квазикристаллическими структурами или магнонными взаимодействиями. Она особенно заметна в низкоразмерных системах и поверхностных слоях.
Особенности обменной анизотропии:
Она определяется микроскопической симметрией кристалла и характером обменных интегралов.
В тонких пленках и наноструктурах обменная анизотропия может преобладать над кристаллической и анизотропией формы.
Величина обменной анизотропии часто выражается через дополнительный член в гамильтониане:
Hex = −∑i, jJij(Si ⋅ Sj) + ∑iKex(Si ⋅ n)2
В тонких пленках, многослойных структурах и наночастицах значительную роль играет анизотропия, связанная с поверхностями и границами раздела. Нарушение симметрии на поверхности или на интерфейсе ведет к появлению направленной энергетической зависимости намагниченности.
Ключевые моменты:
Поверхностная анизотропия часто учитывается как дополнительный член к кристаллической:
Es = Kscos2θ
где Ks — коэффициент поверхностной анизотропии, а θ — угол между намагниченностью и нормалью к поверхности.
В ультратонких пленках поверхностная анизотропия может определять легкую ось намагниченности целого слоя.
Интерфейсная анизотропия в многослойных магнитных системах используется для создания направленных магнитных состояний и стабилизации скермионов.
Механические напряжения в ферромагнетике могут индуцировать анизотропию через магнитоупругие взаимодействия. Это явление широко используется в технологии сенсорных устройств и магнитострикционных материалов.
Основные характеристики:
Энергия магнитоупругой анизотропии описывается через:
$$ E_\sigma = - \frac{3}{2} \lambda_s \sigma \cos^2 \theta $$
где λs — коэффициент магнитострикции, σ — напряжение, θ — угол между намагниченностью и направлением напряжения.
Напряжения могут индуцировать легкую ось, даже если кристалл изначально был изотропным.
В многослойных и гибких магнитных структурах эта анизотропия используется для программирования магнитных свойств.
Все виды магнитной анизотропии чувствительны к температуре, поскольку тепловые флуктуации снижают величину направленного взаимодействия спинов. Классические законы Бруннера-Нэля описывают температурную зависимость кристаллической анизотропии через возрастание степени спиновой демагнитизации при приближении к точке Кюри.
Важные особенности: