Ферримагнетизм

Микроскопическая природа ферримагнетизма

Ферримагнетизм — это вид магнитного упорядочения, при котором магнитные моменты ионов или атомов в кристалле ориентированы антипараллельно, но имеют различные абсолютные величины, что приводит к наличию ненулевого результирующего магнитного момента. Это явление наблюдается в основном в материалах с несколькими подрешётками, каждая из которых содержит магнитные ионы с разными значениями спинового и/или орбитального магнитного момента.

Ферримагнетики занимают промежуточное положение между ферромагнетиками и антиферромагнетиками. В отличие от антиферромагнетиков, где полная компенсация моментов приводит к отсутствию макроскопического намагничивания, в ферримагнетиках из-за неравенства магнитных моментов подрешёток возникает остаточная намагниченность.

Структурные особенности и подрешётки

В ферримагнетиках кристаллическая решётка часто состоит из нескольких магнитных подрешёток, связанных через обменное взаимодействие. Наиболее известный пример — шпинельная структура (AB₂O₄), где:

A-позиции (тетраэдрические) и B-позиции (октаэдрические) заполняются магнитными ионами с разными магнитными моментами.
Обменное взаимодействие между A- и B-подрешётками обычно антипараллельное (сильное сверхобменное взаимодействие через ионы кислорода).
Магнитные моменты внутри каждой подрешётки ориентированы параллельно друг другу, но противоположно относительно другой подрешётки.

Пример: в магнетите Fe₃O₄ Fe³⁺-ионы в A- и B-подрешётках компенсируют друг друга, а Fe²⁺-ионы в B-подрешётке дают результирующую намагниченность.

Обменное взаимодействие и механизм упорядочения

Главный механизм ферримагнитного упорядочения — сверхобмен (superexchange), который реализуется через немагнитные анионы (обычно O²⁻).

Особенности:

Взаимодействие между ионами в разных подрешётках сильнее, чем внутри одной подрешётки.
При низких температурах достигается устойчивое антипараллельное упорядочение с частичной компенсацией моментов.
В ряде случаев возможны более сложные конфигурации, включая кручёные спирали или отклонения от коллинеарного состояния.

Температурная зависимость намагниченности

Кривая намагниченности ферримагнетика при изменении температуры имеет ряд характерных особенностей:

Температура Кюри (T₍C₎) — температура, выше которой исчезает дальний магнитный порядок и материал становится парамагнитным.
Температура компенсации (T₍comp₎) — температура, при которой магнитные моменты подрешёток точно компенсируются, и результирующая намагниченность становится равной нулю.
Неоднородный спад намагниченности — из-за различий в температурной зависимости магнитных моментов подрешёток.

На участке от 0 до T₍comp₎ ферримагнетик ведёт себя как обычный ферромагнетик, но вблизи точки компенсации возможны аномальные эффекты, такие как смена знака магнитного момента.

Магнитная восприимчивость и анизотропия

Ферримагнетики обладают высокой начальной магнитной восприимчивостью, но меньшей, чем у ферромагнетиков с сопоставимой температурой Кюри.

Анизотропия в ферримагнетиках обусловлена:

Кристаллографической симметрией решётки.
Неодинаковым орбитальным вкладом различных ионов.
Различием в локальной среде для ионов в разных подрешётках.

Магнитная анизотропия часто используется в технологических применениях для создания магнитных носителей информации с высокой коэрцитивной силой.

Примеры ферримагнитных материалов

Fe₃O₄ (магнетит) — природный минерал, обладающий высокой намагниченностью и проводимостью.
Гранаты (например, иттрий-железный гранат Y₃Fe₅O₁₂) — прозрачные ферримагнетики, применяемые в СВЧ-технике и оптоэлектронике.
Гексаферриты (BaFe₁₂O₁₉, SrFe₁₂O₁₉) — материалы с высокой коэрцитивной силой, широко используемые в магнитных запоминающих устройствах.

Применения

Ферримагнетики находят широкое применение благодаря комбинации высокой намагниченности и возможности настройки магнитных свойств:

Магнитные записи — жёсткие диски, магнитные ленты.
Постоянные магниты — особенно гексаферриты в электродвигателях.
СВЧ-компоненты — изоляторы, циркуляторы, фазовращатели.
Оптические устройства — благодаря эффекту Фарадея в ферримагнитных гранатах.