Ферримагнетизм

Ферримагнитное упорядочение

Ферримагнитная материал является материал , который имеет население атомов с противоположными магнитными моментами , как и в антиферромагнетизмом . Для ферримагнетиков эти моменты не равны по величине, поэтому спонтанная намагниченность сохраняется. ^[1] Это может случиться, например, когда популяции состоят из разных атомов или ионов (таких как Fe ²⁺ и Fe ³⁺ ).

Ферримагнетизм часто путали с ферромагнетизмом . Самое старое известное магнитное вещество магнетит (Fe ₃ O ₄ ) был классифицирован как ферромагнетик до того, как Луи Неель открыл ферримагнетизм в 1948 году. ^[2] С момента открытия ферримагнетика было найдено множество применений, например, для жестких дисков и в биомедицине .

История [ править ]

До двадцатого века все природные магнитные вещества назывались ферромагнетиками. В 1936 году Луи Нил опубликовал статью, в которой предлагал существование новой формы кооперативного магнетизма, которую он назвал антиферромагнетизмом. ^[3] Работая с Mn ₂ Sb, французский физик Шарль Гийо обнаружил, что современные теории магнетизма неадекватны для объяснения поведения материала, и создал модель для объяснения этого поведения. ^[4] В 1948 году Неэль опубликовал статью о третьем типе кооперативного магнетизма, основанную на предположениях модели Гийо. Он назвал это ферримагнетизмом. В 1970 году Неэльс был удостоен Нобелевской премии по физике за свои работы в области магнетизма . ^[5]

Физическое происхождение [ править ]

➀ Ниже точки компенсации намагничивания ферримагнитный материал является магнитным. ➁ В точке компенсации магнитные компоненты компенсируют друг друга, и общий магнитный момент равен нулю. ➂ Выше температуры Кюри материал теряет магнетизм.

Ферримагнетизм имеет то же физическое происхождение, что и ферромагнетизм и антиферромагнетизм . В ферримагнетиках намагничивание также вызывается комбинацией диполь-дипольных взаимодействий и обменного взаимодействия, обусловленного принципом исключения Паули . Основное различие между ферромагнетизмом и антиферромагнетизмом состоит в том, что в элементарной ячейке есть разные типы атомов. Пример этого можно увидеть на рисунке справа. Здесь атомы с меньшим магнитным моментом указывают в направлении, противоположном направлению больших моментов. Итак, здесь есть антиферромагнитное упорядочение, но все еще есть ненулевой магнитный момент. Ферримагнетики имеют критическую температуру, выше которой они становятся парамагнитными, как и ферромагнетики. ^[6] При этой температуре (называемой температурой Кюри ) происходит фазовый переход второго рода ^[7], и система больше не может поддерживать спонтанное намагничивание. Это связано с тем, что при более высоких температурах тепловое движение достаточно велико, чтобы противостоять тенденции диполей к выравниванию.

Вывод [ править ]

Существуют различные способы описания ферримагнетиков, самый простой из которых - теория среднего поля . В теории среднего поля поле, действующее на атомы, можно записать как:

${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} = {\ overrightarrow {H}} _ {0} + {\ overrightarrow {H}} _ {m}}$

Где - приложенное магнитное поле, а - поле, вызванное взаимодействиями между атомами. Следующее предположение тогда следующее: Здесь - средняя намагниченность решетки, а - коэффициент молекулярного поля. Когда мы позволяем и быть зависимыми от позиции и ориентации, мы можем записать это в форме: ${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {0}}$ ${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {m}}$ ${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {m} = \ gamma {\ overrightarrow {M}}}$ ${\ textstyle {\ overrightarrow {M}}}$ ${\ displaystyle \ gamma}$ ${\ textstyle {\ overrightarrow {M}}}$ ${\ displaystyle \ gamma}$

${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {i} = {\ overrightarrow {H}} _ {0} + \ sum _ {k = 1} ^ {n} \ gamma _ {ik} {\ overrightarrow {M }} _ {k}}$

Здесь поле, действующее на i- ^ю подструктуру, и - коэффициент молекулярного поля между i- ^й и k- ^й подструктурой. Для двухатомной решетки мы можем обозначить два типа узлов: A и B. количество магнитных ионов в единице объема, долю магнитных ионов на узлах A и на узлах B. Это дает: ${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {i}}$ ${\ displaystyle \ gamma _ {ik}}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ lambda}$ ${\ textstyle \ mu = 1- \ lambda}$

${\overrightarrow {H}}_{aa}=\gamma _{aa}{\overrightarrow {M}};{\overrightarrow {H}}_{ab}=\gamma _{ab}{\overrightarrow {M}}_{b};{\overrightarrow {H}}_{ba}=\gamma _{ba}{\overrightarrow {M}}_{a};{\overrightarrow {H}}_{bb}=\gamma _{bb}{\overrightarrow {M}}_{b}$

Можно показать то и то, если только структуры не идентичны. способствует параллельному выравниванию и , в то время как способствует антипараллельному выравниванию. Для ферримагнетиков так будет удобно принять за положительную величину и написать знак минус прямо перед ней. Для полных полей на A и B это дает: $\gamma _{ab}=\gamma _{ba}$ $\gamma _{aa}\neq \gamma _{bb}$ $\gamma _{ab}>0$ ${\overrightarrow {M}}_{a}$ ${\overrightarrow {M}}_{b}$ $\gamma _{ab}<0$ $\gamma _{ab}<0$ $\gamma _{ab}$

${\overrightarrow {H}}_{a}={\overrightarrow {H}}_{0}+\gamma _{aa}{\overrightarrow {M}}_{a}-\gamma _{ab}{\overrightarrow {M}}_{b}$

${\overrightarrow {H}}_{b}={\overrightarrow {H}}_{0}+\gamma _{bb}{\overrightarrow {M}}_{b}-\gamma _{ab}{\overrightarrow {M}}_{a}$

Кроме того, мы введем параметры и, которые определяют соотношение сил взаимодействий. Наконец, мы введем приведенную намагниченность: $\alpha ={\frac {\gamma _{aa}}{\gamma _{ab}}}$ $\beta ={\frac {\gamma _{bb}}{\gamma _{ab}}}$

${\overrightarrow {\sigma }}_{a}={\overrightarrow {M}}_{a}/\lambda Ng\mu _{B}S_{a}$

${\overrightarrow {\sigma }}_{b}={\overrightarrow {M}}_{b}/\mu Ng\mu _{B}S_{b}$

Со вращением i- ^го элемента. Это дает для полей: $S_{i}$

${\overrightarrow {H}}_{a}={\overrightarrow {H}}_{0}+Ng\mu _{B}S_{a}\gamma _{ab}(\lambda \alpha {\overrightarrow {\sigma }}_{a}-\mu {\overrightarrow {\sigma }}_{b})$ ${\overrightarrow {H}}_{b}={\overrightarrow {H}}_{0}+Ng\mu _{B}S_{b}\gamma _{ab}(-\lambda {\overrightarrow {\sigma }}_{a}+\mu \beta {\overrightarrow {\sigma }}_{b})$

Решения этих уравнений (здесь опущены) даются формулами

$\sigma _{a}=B_{S_{a}}(g\mu _{b}S_{a}H_{a}/k_{B}T)$ $\sigma _{b}=B_{S_{b}}(g\mu _{b}S_{b}H_{b}/k_{B}T)$

Где это функция Бриллюэна . Простейший случай решить сейчас . Поскольку . Это дает следующую пару уравнений: $B_{J}(x)$ $S_{a}=S_{b}={\frac {1}{2}}$ $B_{\frac {1}{2}}(x)=tanh(x)$

$\lambda \sigma _{a}={\frac {\tau F(\lambda ,\alpha ,\beta )}{\alpha \beta -1}}(\beta tanh^{-1}\sigma _{a}+tanh^{-1}\sigma _{b})$

$\mu \sigma _{b}={\frac {\tau F(\lambda ,\alpha ,\beta )}{\alpha \beta -1}}(tanh^{-1}\sigma _{a}+\alpha tanh^{-1}\sigma _{b})$

С и . Эти уравнения не имеют известного аналитического решения, поэтому их необходимо решить численно, чтобы найти температурную зависимость . $\tau =T/T_{c}$ $F(\lambda ,\alpha ,\beta )={\frac {1}{2}}(\lambda \alpha +\mu \beta +{\sqrt {(\lambda \alpha -\mu \beta )^{2}+4\lambda \mu }})$ $\mu$

Влияние температуры [ править ]

В отличие от ферромагнетизма формы кривых намагничивания ферримагнетизма могут принимать самые разные формы в зависимости от силы взаимодействий и относительного количества атомов. Наиболее примечательным из них является то, что направление намагниченности может менять знак при нагреве op от абсолютного нуля до критической температуры, и что намагниченность увеличивается при повышении температуры до критической температуры, что не может происходить для ферромагнитных материалов. Эти температурные зависимости также экспериментально наблюдались в NiFe _2/5 Cr _8/5 O ₄^[8] и Li _1/2 Fe _5/4 Ce _5/4 O ₄ .^[9]

Точка, в которой чистая намагниченность равна 0 для температур ниже температуры Кюри, при которой противоположные магнитные моменты равны, в результате чего чистый магнитный момент равен нулю, называется точкой компенсации намагниченности. Эта точка компенсации легко наблюдается в гранатах и сплавах редкоземельных элементов с переходными металлами (RE-TM). Кроме того, ферримагнетики также могут иметь точку компенсации углового момента , в которой чистый угловой момент равен нулю. Эта точка компенсации является решающей для достижения высокой скорости перемагничивания в устройствах магнитной памяти.

Влияние внешних полей [ править ]

Теоретическая модель от намагниченности

м

от магнитного поля

ч

. Начиная с начала координат, восходящая кривая - это начальная кривая намагничивания . Нисходящая кривая после насыщения вместе с нижней кривой доходности образуют основной цикл . Пересечения

h c

и

m rs

представляют собой остаточную коэрцитивность и насыщенность .

Когда ферримагнетики подвергаются воздействию внешнего магнитного поля, они проявляют так называемый магнитный гистерезис , магнитное поведение зависит от истории магнита. Им также известна намагниченность насыщения , эта намагниченность достигается, когда внешнее поле достаточно сильное, чтобы все моменты были выровнены в одном направлении. Когда эта точка достигнута, намагничивание не может увеличиваться, так как больше нет моментов для выравнивания. Как только вы уменьшите внешнее поле обратно до , намагниченность ферримагнетика не вернется к $M_{rs}$ $0$ $0$ но скорее останется намагниченным. Этот эффект часто используется при применении магнитов. Когда внешнее поле затем направлено в противоположном направлении, магнит будет размагничиваться дальше, пока в конечном итоге не достигнет намагниченности . Такое поведение приводит к так называемой петле гистерезиса. ^[10] $-M_{rs}$

Свойства и использование [ править ]

Ферримагнетики обладают высоким удельным сопротивлением и анизотропными свойствами. Анизотропии фактически индуцированный внешнее приложенное поле. Когда это приложенное поле выравнивается с магнитными диполями, оно вызывает чистый магнитный дипольный момент и заставляет магнитные диполи прецессировать с частотой, контролируемой приложенным полем, называемой ларморовской или частотой прецессии . В качестве частного примера микроволновый сигнал, поляризованный по кругу в том же направлении, что и эта прецессия, сильно взаимодействует с магнитными дипольными моментами.; когда он поляризован в противоположном направлении, взаимодействие очень низкое. При сильном взаимодействии микроволновый сигнал может проходить через материал. Это свойство направленности используется при создании микроволновых устройств, таких как изоляторы , циркуляторы и гираторы . Ферримагнетики также используются для изготовления оптических изоляторов и циркуляторов . Ферримагнитные минералы в различных типах горных пород используются для изучения древних геомагнитных свойств Земли и других планет. Эта область исследований известна как палеомагнетизм . Кроме того, было показано, что ферримагнетики, такие как магнетит, могут использоваться для хранения тепловой энергии.. ^[11]

Примеры [ править ]

Самый старый известный магнитный материал, магнетит , представляет собой ферримагнитное вещество. В Тетраэдрических и Октаэдрических сайтах демонстрируют противоположное вращение. Другие известные ферримагнетики включают железо-иттриевый гранат (ЖИГ); кубические ферриты, состоящие из оксидов железа с другими элементами, такими как алюминий , кобальт , никель , марганец и цинк ; и гексагональные ферриты, такие как PbFe ₁₂ O ₁₉ и BaFe ₁₂ O ₁₉ и пирротин , Fe _1-x S. ^[12]

Ферримагнетизм также может возникать в одномолекулярных магнитах . Классическим примером является додеканоядерная молекула марганца с эффективным спином S = 10, полученная в результате антиферромагнитного взаимодействия на металлических центрах Mn (IV) с металлическими центрами Mn (III) и Mn (II). ^[13]

См. Также [ править ]

Энергия анизотропии
Орбитальная намагниченность

Ссылки [ править ]

^ Spaldin, Nicola A. (2011). Магнитные материалы: основы и приложения (2-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88669-7. OCLC 607986416 .
^ Неель, М. Луи (1948). "Propriétés magnétiques des ferrites; ferrimagnétisme et antiferromagnétisme" (PDF) . Annales de Physique . 12 (3): 137–198. DOI : 10.1051 / anphys / 194812030137 . ISSN 0003-4169 .
^ Нееля, Луи (1936). "Propriétés magnétiques de l'état métallique et énergie d'interaction entre atomes magnétiques" . Анналы телосложения . 11 (5): 232–279. DOI : 10.1051 / anphys / 193611050232 . ISSN 0003-4169 .
^ Смарт, Дж. Самуэль (сентябрь 1955 г.). "Теория ферримагнетизма Нееля" . Американский журнал физики . 23 (6): 356–370. DOI : 10.1119 / 1.1934006 . ISSN 0002-9505 .
^ "Нобелевская премия по физике 1970" . NobelPrize.org . Проверено 26 января 2021 .
↑ Саймон, Стивен Х. (21 июня 2013 г.). Основы Оксфордского твердого тела (первое издание). Оксфорд. ISBN 978-0-19-150210-1. OCLC 851099021 .
^ Бланделл, Стивен; Бланделл, Кэтрин М. (2010). Понятия по теплофизике (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-956209-1. OCLC 607907330 .
^ Цусима, Tachiro (август 1963). «Магнитные свойства феррит-хромитового ряда никеля и кобальта» . Журнал Физического общества Японии . 18 (8): 1162–1166. DOI : 10,1143 / jpsj.18.1162 . ISSN 0031-9015 .
^ Гортер, EW; Шулькс, Дж. А. (1953-05-01). «Изменение спонтанного намагничивания в зависимости от температуры в шпинелях LiFeCr» . Физический обзор . 90 (3): 487–488. DOI : 10.1103 / Physrev.90.487.2 . ISSN 0031-899X .
^ Солер, МАГ; Патерно, LG (01.01.2017), Да Роз, Алессандра Л .; Феррейра, Маристела; де Лима Лейте, Фабио; Оливейра, Освальдо Н. (ред.), "6 - Магнитные наноматериалы" , наноструктуры , Уильям Эндрю издательство, С. 147-186,. DOI : 10.1016 / b978-0-323-49782-4.00006-1 , ISBN 978-0-323-49782-4, получено 2021-01-25
^ Гросу, Ярослав; Фаик, Абдессамад; Ортега-Фернандес, Иньиго; Д'Агуанно, Бруно (март 2017 г.). «Природный магнетит для хранения тепловой энергии: отличные теплофизические свойства, обратимый переход скрытой теплоты и контролируемая теплопроводность» . Материалы солнечной энергии и солнечные элементы . 161 : 170–176. DOI : 10.1016 / j.solmat.2016.12.006 .
^ Клейн, К. и Dutrow Б., минеральные науки 23изд., М., стр. 243.
^ Сессоли, Роберта; Цай, Хуэй Лянь; Schake, Ann R .; Ван, Шейи; Винсент, Джон Б.; Фолтинг, Кирстен; Гаттески, Данте; Христу, Джордж; Хендриксон, Дэвид Н. (1993). «Высокоспиновые молекулы: [Mn ₁₂ O ₁₂ (O ₂ CR) ₁₆ (H ₂ O) ₄ ]». Варенье. Chem. Soc . 115 (5): 1804–1816. DOI : 10.1021 / ja00058a027 .

внешняя ссылка

СМИ, связанные с ферримагнетизмом, на Викискладе?

[1] Spaldin, Nicola A. (2011). Магнитные материалы: основы и приложения (2-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88669-7. OCLC 607986416 .

[2] Неель, М. Луи (1948). "Propriétés magnétiques des ferrites; ferrimagnétisme et antiferromagnétisme" (PDF) . Annales de Physique . 12 (3): 137–198. DOI : 10.1051 / anphys / 194812030137 . ISSN 0003-4169 .

[3] Нееля, Луи (1936). "Propriétés magnétiques de l'état métallique et énergie d'interaction entre atomes magnétiques" . Анналы телосложения . 11 (5): 232–279. DOI : 10.1051 / anphys / 193611050232 . ISSN 0003-4169 .

[4] Смарт, Дж. Самуэль (сентябрь 1955 г.). "Теория ферримагнетизма Нееля" . Американский журнал физики . 23 (6): 356–370. DOI : 10.1119 / 1.1934006 . ISSN 0002-9505 .

[5] "Нобелевская премия по физике 1970" . NobelPrize.org . Проверено 26 января 2021 .

[6] Саймон, Стивен Х. (21 июня 2013 г.). Основы Оксфордского твердого тела (первое издание). Оксфорд. ISBN 978-0-19-150210-1. OCLC 851099021 .

[7] Бланделл, Стивен; Бланделл, Кэтрин М. (2010). Понятия по теплофизике (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-956209-1. OCLC 607907330 .

[8] Цусима, Tachiro (август 1963). «Магнитные свойства феррит-хромитового ряда никеля и кобальта» . Журнал Физического общества Японии . 18 (8): 1162–1166. DOI : 10,1143 / jpsj.18.1162 . ISSN 0031-9015 .

[9] Гортер, EW; Шулькс, Дж. А. (1953-05-01). «Изменение спонтанного намагничивания в зависимости от температуры в шпинелях LiFeCr» . Физический обзор . 90 (3): 487–488. DOI : 10.1103 / Physrev.90.487.2 . ISSN 0031-899X .

[10] Солер, МАГ; Патерно, LG (01.01.2017), Да Роз, Алессандра Л .; Феррейра, Маристела; де Лима Лейте, Фабио; Оливейра, Освальдо Н. (ред.), "6 - Магнитные наноматериалы" , наноструктуры , Уильям Эндрю издательство, С. 147-186,. DOI : 10.1016 / b978-0-323-49782-4.00006-1 , ISBN 978-0-323-49782-4, получено 2021-01-25

[11] Гросу, Ярослав; Фаик, Абдессамад; Ортега-Фернандес, Иньиго; Д'Агуанно, Бруно (март 2017 г.). «Природный магнетит для хранения тепловой энергии: отличные теплофизические свойства, обратимый переход скрытой теплоты и контролируемая теплопроводность» . Материалы солнечной энергии и солнечные элементы . 161 : 170–176. DOI : 10.1016 / j.solmat.2016.12.006 .

[12] Клейн, К. и Dutrow Б., минеральные науки 23изд., М., стр. 243.

[13] Сессоли, Роберта; Цай, Хуэй Лянь; Schake, Ann R .; Ван, Шейи; Винсент, Джон Б.; Фолтинг, Кирстен; Гаттески, Данте; Христу, Джордж; Хендриксон, Дэвид Н. (1993). «Высокоспиновые молекулы: [Mn ₁₂ O ₁₂ (O ₂ CR) ₁₆ (H ₂ O) ₄ ]». Варенье. Chem. Soc . 115 (5): 1804–1816. DOI : 10.1021 / ja00058a027 .

[1]