Магнитоупругая связь представляет собой фундаментальное явление в физике магнитных материалов, характеризующее взаимное влияние магнитного и кристаллического (механического) состояния вещества. В основе этого эффекта лежит взаимодействие между ориентацией магнитных моментов и деформацией кристаллической решетки. Феномен проявляется как изменение размеров или формы ферромагнитного тела при намагничивании, а также как изменение магнитных свойств под действием механического напряжения.
Ключевой характеристикой магнитоупругой связи является магнитострикция — механическая деформация, индуцируемая изменением намагниченности. В обратном направлении деформация кристаллической решетки может индуцировать изменения в магнитной анизотропии, что проявляется в эффекте обратной магнитострикции или магнитоупругой анизотропии.
На микроскопическом уровне магнитоупругая связь обусловлена обменными взаимодействиями между спинами электронов в кристалле. Основные механизмы включают:
Обменную анизотропию Энергия обменного взаимодействия зависит от расстояния между атомами. При деформации кристаллической решетки меняется дистанция между магнитными центрами, что приводит к изменению магнитной энергии. Для ферромагнетиков это выражается через модификацию констант обменной анизотропии.
Спин–орбитальное взаимодействие Анизотропия спин–орбитальных взаимодействий зависит от ориентации магнитного момента относительно кристаллографических осей. Деформация решетки изменяет кристаллографическую симметрию, что напрямую влияет на энергетические уровни и предпочтительные направления намагниченности.
Электронно-обменная деформация Смещение ионов под действием механических сил может менять плотность электронного облака, а значит — локальные магнитные моменты, создавая дополнительную вкладку в магнитоупругую энергию.
Магнитострикция описывается величиной λ, определяющей относительную деформацию материала при достижении насыщенной намагниченности:
$$ \lambda = \frac{\Delta L}{L_0} $$
где ΔL — изменение длины образца, L0 — его исходная длина.
Основные виды магнитострикции:
В кристаллах с высокой симметрией (например, кубических) магнитострикция часто проявляется через две константы: λ₁₀₀ и λ₁₁₁, соответствующие деформациям вдоль кристаллографических направлений [100] и [111]. В менее симметричных системах необходимо учитывать большее количество констант, описывающих анизотропное распределение деформаций.
Энергия магнитоупругой системы E обычно представляется в виде суммы обменной, анизотропной и упругой составляющих:
E = Eмагн + Eаниз + Eупруг
где:
Магнитоупругая энергия Eмупр вводится как взаимодействие между намагниченностью M и тензором деформации ε:
Eмупр = −bijklMiMjεkl
где bijkl — магнитоупругие константы, характеризующие силу связи между магнитным и упругим состоянием.
Минимизация полной энергии системы по переменным деформации и намагниченности позволяет предсказать величину магнитострикции и ориентацию магнитных доменов при различных внешних условиях.
Магнитоупругая связь проявляется наиболее сильно вблизи критических температур, таких как температура Кюри, где чувствительность магнитной анизотропии к деформации максимальна. При низких температурах вклад спин–орбитального взаимодействия усиливает магнитострикцию, в то время как тепловые флуктуации при высоких температурах уменьшают этот эффект.
Магнитное поле может индуцировать упругие деформации, приводя к возникновению намагниченно-индуцированных напряжений, которые находят применение в датчиках, актуаторах и устройствах с обратной магнитострикцией.
Магнитоупругая связь лежит в основе работы ряда функциональных материалов и устройств:
Материалы с сильной магнитоупругой связью демонстрируют уникальные комбинации упругих и магнитных свойств, что делает их важными в микро- и наноэлектромеханических системах (MEMS/NEMS).