Слабый ферромагнетизм

Слабый ферромагнетизм представляет собой особый вид магнитного упорядочения, при котором проявляется небольшая спонтанная намагниченность, часто возникающая на фоне антиферромагнитного или компланарного магнитного строения. Этот феномен впервые был теоретически предсказан и позднее экспериментально обнаружен в ряде оксидов редкоземельных элементов и переходных металлов.

Механизм возникновения слабого ферромагнетизма

Основной механизм слабого ферромагнетизма связан с нецентросимметричными взаимодействиями между спинами, наиболее известным из которых является обмен Дмяновского–Мориа (Dzyaloshinskii–Moriya interaction, DMI).

Энергия DMI описывается выражением:

EDM = Dij ⋅ (Si × Sj),

где Si и Sj — спины соседних ионов, Dij — вектор Дмяновского–Мориа, определяемый кристаллической симметрией.

Ключевые моменты механизма:

  • Антиферромагнитная основа: слабый ферромагнетизм чаще всего возникает в системах с антиферромагнитным упорядочением.
  • Малый сдвиг спинов: взаимодействие DMI приводит к легкому отклонению антипараллельных спинов, формируя небольшую суммарную намагниченность.
  • Чувствительность к симметрии: в симметричных центрах кристалла DMI отсутствует, что делает слабый ферромагнетизм редким и направленным явлением.

Классификация слабого ферромагнетизма

  1. Классический слабый ферромагнетизм – наблюдается в оксидах переходных металлов (например, в α-Fe₂O₃ при низких температурах), где антиферромагнитное упорядочение нарушено за счет DMI.
  2. Индукционный слабый ферромагнетизм – возникает при внешнем воздействии, например, магнитном или электрическом поле, которое вызывает наклон спинов в антиферромагнитной решетке.
  3. Квантово-механический слабый ферромагнетизм – проявляется в низкоразмерных системах и сильно коррелированных электронных структурах, где спиновая флуктуация играет решающую роль.

Теоретические модели

Модель Ландау–Лифшица для слабого ферромагнетизма учитывает как антиферромагнитную, так и ферромагнитную компоненты намагниченности. Порядок параметров описывается вектором L (антиферромагнитный момент) и M (ферромагнитная намагниченность):

L = S1 − S2,  M = S1 + S2.

Энергия системы записывается как:

E = AL2 + BM2 + D ⋅ (L × M) + …

Здесь первые два члена отвечают за жесткость антипараллельной конфигурации и малую ферромагнитную компоненту, а третий член описывает DMI, который приводит к слабому ферромагнетизму.

Температурные зависимости

Слабый ферромагнетизм проявляется ниже температуры Нееля TN для антиферромагнетиков, поскольку выше этой температуры спины теряют упорядоченность. Характерные зависимости:

  • Суммарная намагниченность M(T) растет при снижении температуры ниже TN и достигает максимума при минимальных температурах.
  • Анизотропия намагниченности часто выражена сильнее, чем у обычных ферромагнетиков, из-за специфической ориентации вектора DMI.

Экспериментальные проявления

  1. Магнитные измерения: слабый ферромагнетизм выявляется через малые гистерезисные петли, где коэрцитивная сила минимальна, а намагниченность низкая.
  2. Нейтронная дифракция: позволяет наблюдать незначительный наклон спинов в антиферромагнитной решетке.
  3. Электронный парамагнитный резонанс (EPR): фиксирует взаимодействие DMI, проявляющееся в анизотропии резонансного сигнала.
  4. Магнитная анизотропия: наблюдается сильная зависимость магнитного отклика от направления внешнего поля.

Практическое значение

Слабый ферромагнетизм имеет важное значение в современных технологиях:

  • Спинтроника: малые намагниченности и специфическая ориентация спинов полезны для создания энергоэффективных устройств хранения информации.
  • Магнитные датчики: чувствительные к слабым изменениям магнитного поля.
  • Мультиферроики: взаимодействие слабого ферромагнетизма с электрическим полем позволяет управлять магнитным состоянием материала без внешнего магнитного воздействия.

Примеры материалов

  • Гематит (α-Fe₂O₃) – классический антиферромагнетик с наблюдаемым слабым ферромагнетизмом при низких температурах.
  • Медиум редкоземельные оксиды – проявляют DMI из-за отсутствия центра симметрии.
  • Перовскитные структуры (например, BiFeO₃) – известны как мультиферроики, где слабый ферромагнетизм тесно связан с ферроэлектрическим порядком.

Слабый ферромагнетизм демонстрирует, как небольшие нарушения антиферромагнитного упорядочения и специфическая кристаллическая симметрия могут привести к проявлению намагниченности, заметной только при точных экспериментах, но имеющей значительные последствия для современной магнитной физики и приложений в нанотехнологиях.

Оглавление