Индуцированные полем переходы представляют собой фазовые переходы, вызванные внешним магнитным полем, когда изменение параметров системы напрямую связано с воздействием поля на микроскопические магнитные моменты. В отличие от термических фазовых переходов, где критическим фактором является температура, здесь главным управляемым параметром выступает магнитная индукция B или внешнее магнитное поле H.
Физическая суть таких переходов заключается в изменении энергетического ландшафта системы под действием поля. В магнитных системах это проявляется в перестройке конфигураций спинов, изменении магнитной анизотропии и переходе между различными магнитными фазами (ферромагнитной, антиферромагнитной, спин-упорядоченной или парамагнитной).
Для описания индуцированных полем переходов используется функционал свободной энергии F, зависящий от магнитного момента M и поля H:
F(M, H) = F0(M) − M ⋅ H
где F0(M) — свободная энергия системы без внешнего поля. Добавление линейного члена −M ⋅ H отражает работу внешнего поля по ориентации магнитных моментов.
Минимизация F(M, H) по M определяет равновесное состояние системы:
$$ \frac{\partial F}{\partial \mathbf{M}} = 0 $$
Это условие позволяет выявить критические поля Hc, при которых возникает фазовый переход.
В теории Ландау фазовых переходов свободная энергия разворачивается в ряд по параметру порядка η (например, спиновая намагниченность):
F(η, H) = F0 + a(T)η2 + bη4 − Hη
Для индуцированных полем переходов ключевое отличие — наличие линейного члена −Hη, который смещает положение минимума энергии и может индуцировать переход даже при температуре выше критической Tc для нулевого поля.
Первого рода (дискретные скачки) Характеризуются скачкообразным изменением магнитного порядка при достижении критического поля Hc. На диаграмме M(H) проявляются гистерезисные петли.
Второго рода (непрерывные переходы) Переходы, при которых магнитный момент плавно изменяется с ростом поля. Существенно меняются флуктуации спина, и вблизи Hc наблюдаются критические явления, такие как дивергенция магнитной восприимчивости χ.
В антиферромагнетиках внешнее поле может вызывать флоп-переход — поворот подрешеток спинов на угол, минимизирующий энергию −M ⋅ H. Классическая модель с двухподрешеточной структурой дает зависимость критического поля:
$$ H_c = \frac{2 J S}{g \mu_B} $$
где J — константа обменного взаимодействия, S — спин, g — гиро-магнитное отношение, μB — магнетон Бора.
Для ферримагнетиков с различными подрешетками существует точка компенсации Tcomp, при которой суммарная намагниченность равна нулю. Приложение поля выше Hc может вызвать резкий рост намагниченности, что наблюдается как индуцированный переход.
В сложных магнитных структурах с неколлинеарным упорядочением внешнее поле может индуцировать перестройку спиновой решетки — спин-кантиление, спин-флоп или спин-флип. Эти явления сопровождаются аномалиями теплоемкости и магнитной восприимчивости.
Вблизи критического поля индуцированных переходов наблюдаются критические флуктуации магнитного момента. Основные показатели включают:
Магнитная восприимчивость:
$$ \chi = \frac{\partial M}{\partial H} \sim |H - H_c|^{-\gamma} $$
Коэрцитивное поле и гистерезис: при переходах первого рода возникает петля гистерезиса с амплитудой, зависящей от диссипации энергии при перестройке спинов.
Тепловые эффекты: индуцированные переходы могут сопровождаться поглощением или выделением тепла (магнитокалорический эффект), особенно при первом роде переходов.
Индуцированные полем переходы формируют уникальные диаграммы поля–температуры H − T, где линии фазового равновесия смещены внешним полем. Управление переходами возможно путем:
Эти возможности открывают практическое применение в магнитной памяти, спинтронике и магнитокалорических устройствах.