Магнитная структура - Википедия - Magnetic structure

Очень простая ферромагнитная структура
Очень простая антиферромагнитная структура
Другое простое антиферромагнитное устройство в 2D

Период, термин магнитная структура материала относится к упорядоченному расположению магнитных спинов, обычно в пределах упорядоченного кристаллографическая решетка. Его исследование является ветвью физика твердого тела.

Магнитные конструкции

Большинство твердых материалов немагнитны, то есть они не обладают магнитной структурой. Из-за Принцип исключения Паули, каждое состояние занято электронами с противоположными спинами, так что плотность заряда везде скомпенсирована, а степень свободы спина тривиальна. Тем не менее, такие материалы обычно показывают слабые магнитные свойства, например из-за Паули парамагнетизм или Ланжевен или Ландау диамагнетизм.

Более интересен случай, когда электрон материала самопроизвольно нарушает указанную выше симметрию. За ферромагнетизм в основном состоянии существует общая ось квантования спина и глобальный избыток электронов с заданным квантовым числом спина, электронов в одном направлении направлено больше, чем в другом, что дает макроскопическую намагниченность (обычно выбирается большинство электронов указать вверх). В наиболее простых (коллинеарных) случаях антиферромагнетизм, по-прежнему существует общая ось квантования, но электронные спины поочередно направляются вверх и вниз, что снова приводит к отмене макроскопической намагниченности. Однако, особенно в случае разочарование Из-за взаимодействий получающиеся в результате структуры могут стать намного более сложными, имея по своей сути трехмерную ориентацию локальных спинов. Ну наконец то, ферримагнетизм как прототип отображается магнетит в некотором смысле промежуточный случай: здесь намагниченность глобально не компенсируется, как в ферромагнетизме, но локальная намагниченность направлена ​​в разные стороны.

Вышеупомянутое обсуждение относится к структуре основного состояния. Конечно, конечные температуры приводят к возбуждению спиновой конфигурации. Здесь можно противопоставить две крайние точки зрения: в стоунеровской картине магнетизма (также называемой коллективным магнетизмом) электронные состояния делокализованы, а их взаимодействие в среднем поле приводит к нарушению симметрии. С этой точки зрения, с повышением температуры локальная намагниченность, таким образом, будет однородно уменьшаться, поскольку отдельные делокализованные электроны перемещаются из верхнего канала в нижний. С другой стороны, в случае локального момента электронные состояния локализованы на определенных атомах, давая атомные спины, которые взаимодействуют только на коротких расстояниях и обычно анализируются с помощью Модель Гейзенберга. Здесь конечные температуры приводят к отклонению ориентации атомных спинов от идеальной конфигурации, таким образом, для ферромагнетика также уменьшается макроскопическая намагниченность.

Для локализованного магнетизма многие магнитные структуры можно описать следующим образом: магнитные космические группы, которые дают точный учет всех возможных групп симметрии конфигураций вверх / вниз в трехмерном кристалле. Однако этот формализм не может объяснить некоторые более сложные магнитные структуры, такие как обнаруженные в гелимагнетизм.

Методы их изучения

Такое упорядочение можно изучить, наблюдая магнитную восприимчивость как функцию температуры и / или размера приложенного магнитного поля, но истинно трехмерную картину расположения спинов лучше всего получить с помощью нейтронография.[1][2] Нейтроны в основном рассеиваются ядрами атомов в структуре. Таким образом, при температуре выше точки упорядочения магнитных моментов, когда материал ведет себя как парамагнитный, дифракция нейтронов даст картину только кристаллографической структуры. Ниже точки заказа, например то Температура Нееля из антиферромагнетик или Точка Кюри В ферромагнетике нейтроны также будут испытывать рассеяние на магнитных моментах, поскольку сами обладают спином. Интенсивности Размышления Брэгга поэтому изменится. Фактически, в некоторых случаях будут возникать совершенно новые брэгговские отражения, если элементарная ячейка упорядочения больше, чем элементарная ячейка кристаллографической структуры. Это форма надстройка формирование. Таким образом, симметрия общей структуры может отличаться от кристаллографической субструктуры. Его нужно описывать одной из 1651 магнитных (шубниковских) групп, а не одной из немагнитных. космические группы.[3]

Хотя обычная дифракция рентгеновских лучей «слепа» к расположению спинов, стало возможным использовать особую форму дифракции рентгеновских лучей для изучения магнитной структуры. Если выбрана длина волны, близкая к край поглощения одного из элементов, содержащихся в материалах, рассеяние становится аномальным, и эта составляющая рассеяния (в некоторой степени) чувствительна к несферической форме внешних электронов атома с неспаренным спином. Это означает, что этот тип аномальная дифракция рентгеновских лучей действительно содержит информацию желаемого типа.

В последнее время разрабатываются настольные методы, позволяющие изучать магнитные структуры без использования нейтронных или синхротронных источников.[4]

Магнитная структура химических элементов

Только три элемента являются ферромагнитный при комнатной температуре и давлении: утюг, кобальт, и никель. Это потому, что их Температура Кюри, Tc, выше комнатной температуры (Tc> 298K). Гадолиний имеет спонтанную намагниченность чуть ниже комнатной температуры (293 К) и иногда считается четвертым ферромагнитным элементом. Было высказано предположение, что гадолиний имеет гелимагнитный заказ,[5] но другие отстаивают давнюю точку зрения, согласно которой гадолиний является обычным ферромагнетиком.[6]

Элементы Диспрозий и Эрбий у каждого есть два магнитных перехода. Они парамагнитны при комнатной температуре, но становятся гелимагнитный ниже их соответствующих температур Нееля, а затем становятся ферромагнитными ниже их температур Кюри. Элементы Гольмий, Тербий, и Тулий отображать еще более сложные магнитные структуры.[7]

Существует также антиферромагнитное упорядочение, которое становится неупорядоченным выше Температура Нееля. Хром чем-то похож на простой антиферромагнетик, но имеет несоизмеримую волна спиновой плотности модуляция поверх простого чередования вращения вверх-вниз.[8] Марганец (в форме α-Mn) имеет 29 атомов ячейка, что приводит к сложному, но соизмеримому антиферромагнитному расположению при низких температурах (магнитная космическая группа п42'м ').[9][10] В отличие от большинства элементов, которые являются магнитными из-за электронов, магнитное упорядочение медь и серебро преобладают более слабые ядерный магнитный момент, (сравнивать Магнетон Бора и ядерный магнетон ), что приводит к переходным температурам около абсолютный ноль.[11][12]

Те элементы, которые становятся сверхпроводники выставлять супердиамагнетизм ниже критической температуры.

Нет.ИмяСверхпроводящий TcТемпература КюриТемпература Нееля
3Литий0,0004 К[13]
13Алюминий1,18 К[13]
22Титан0,5 К[13]
23Ванадий5,4 тыс.[13]
24Хром311 К[14]
25Марганец100 К[14]
26Утюг1044 К[15]
27Кобальт1390 К[15]
28Никель630 К[15]
29Медь6 * 10−8 K[14]
30Цинк0,85 К[13]
31Галлий1.08 К[13]
40Цирконий0,6 К[13]
41Ниобий9,25 К[13]
42Молибден0,92 К[13]
43Технеций8,2 К[13]
44Рутений0,5 К[13]
45Родий0,0003 К[13]
46Палладий1,4 тыс.[13]
47Серебро5.6 * 10−10 K[14]
48Кадмий0,52 К[13]
49Индий3,4 тыс.[13]
50Банка3,7 К[13]
57Лантан6 К[13]
58Церий13 К[14]
59Празеодим25 К[14]
60Неодим19,9 тыс.[14]
62Самарий13,3 тыс.[14]
63Европий91 К[14]
64Гадолиний293,4 тыс.[15]
65Тербий221 К[15]230 К[14]
66Диспрозий92,1 тыс.[15]180,2 тыс.[14]
67Гольмий20 К[15]132,2 К[14]
68Эрбий18,74 К[15]85,7 тыс.[14]
69Тулий32 К[15]56 К[14]
71Лютеций0,1 К[13]
72Гафний0,38 К[13]
73Тантал4,4 тыс.[13]
74Вольфрам0,01 К[13]
75Рений1,7 тыс.[13]
76Осмий0,7 К[13]
77Иридий0,1 К[13]
80Меркурий4,15 К[13]
81Таллий2,4 К[13]
82Свинец7,2 К[13]
90Торий1,4 тыс.[13]
91Протактиний1,4 тыс.[13]
92Уран1,3 тыс.[13]
95Америций1 тыс.[13]

Рекомендации

  1. ^ Дифракция нейтронов в магнитных материалах / Ю. Изюмов ​​А. Наиш, Р.П. Озеров; перевод с русского Иоахима Бюхнера. Нью-Йорк: Бюро консультантов, c1991.ISBN  030611030X
  2. ^ Демонстрация Брайана Тоби
  3. ^ Ким, Шун К. (1999). Теоретико-групповые методы и приложения к молекулам и кристаллам (цифровая печать. 1. Версия в мягкой обложке ред.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. п.428. ISBN  9780521640626.
  4. ^ Мей, Антонио Б .; Грей, Исайя; Тан, Юнцзянь; Шуберт, Юрген; Вердер, Дон; Бартелл, Джейсон; Ральф, Дэниел С .; Fuchs, Gregory D .; Шлом, Даррелл Г. (2020). «Локальный фототермический контроль фазовых переходов для перезаписываемого магнитного рисунка при комнатной температуре по запросу». Современные материалы. 32 (22): 2001080. Дои:10.1002 / adma.202001080. ISSN  1521-4095.
  5. ^ Coey, J.M.D .; Скумрыев, В .; Галлахер, К. (1999). «Действительно ли гадолиний ферромагнитен?». Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 401 (6748): 35–36. Дои:10.1038/43363. ISSN  0028-0836.
  6. ^ Кауль, С. Н. (2003). «Гадолиний - спиральный антиферромагнетик или коллинеарный ферромагнетик?». Прамана. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 60 (3): 505–511. Дои:10.1007 / bf02706157. ISSN  0304-4289.
  7. ^ Дженсен, Йенс; Макинтош, Аллан (1991). Редкоземельный магнетизм: структуры и возбуждения (PDF). Оксфорд: Clarendon Press. Получено 2020-08-09.
  8. ^ Маркус, П. М.; Цю, S-L; Моруцци, В. Л. (27 июля 1998). «Механизм антиферромагнетизма в хроме». Журнал физики: конденсированное вещество. IOP Publishing. 10 (29): 6541–6552. Дои:10.1088/0953-8984/10/29/014. ISSN  0953-8984.
  9. ^ Lawson, A.C .; Larson, Allen C .; Aronson, M.C .; Johnson, S .; Фиск, З .; Canfield, P.C .; Thompson, J.D .; Фон Дриле, Р. Б. (1994-11-15). «Магнитный и кристаллографический порядок в α-марганце». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 76 (10): 7049–7051. Дои:10.1063/1.358024. ISSN  0021-8979.
  10. ^ Ямада, Такеми; Кунитоми, Нобухико; Накаи, Ютака; E. Cox, D .; Ширане, Г. (1970-03-15). «Магнитная структура α-Mn». Журнал Физического общества Японии. Физическое общество Японии. 28 (3): 615–627. Дои:10.1143 / jpsj.28.615. ISSN  0031-9015.
  11. ^ Huiku, M.T. (1984). «Ядерный магнетизм в меди при нанокельвиновых температурах и в слабых внешних магнитных полях». Физика B + C. Elsevier BV. 126 (1–3): 51–61. Дои:10.1016/0378-4363(84)90145-1. ISSN  0378-4363.
  12. ^ Хаконен, П. Дж. (1 января 1993 г.). «Ядерное магнитное упорядочение в серебре при положительных и отрицательных спиновых температурах». Physica Scripta. IOP Publishing. T49A: 327–332. Дои:10.1088 / 0031-8949 / 1993 / t49a / 057. ISSN  0031-8949.
  13. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа ab ac объявление ае G.W. Уэбб, Ф. Марсильо, Дж. Э. Хирш (2015). «Сверхпроводимость в элементах, сплавах и простых соединениях». Physica C: сверхпроводимость и ее приложения. 514: 17–27. arXiv:1502.04724. Bibcode:2015PhyC..514 ... 17 Вт. Дои:10.1016 / j.physc.2015.02.037.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  14. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п «Справочник по элементам: Neel Point». Получено 27 сен 2018.
  15. ^ а б c d е ж грамм час я «Справочник по элементам: точка Кюри». Получено 27 сен 2018.