Введение

Тип магнитного явления

Ферримагнитный материал – это материал, в котором присутствуют популяции атомов с антипараллельными магнитными моментами, как в антиферромагнетизме, но величины этих моментов не равны, в результате чего сохраняется спонтанная намагниченность. Это может происходить, например, когда популяции состоят из различных атомов или ионов (таких как Fe2+ и Fe3+). Подобно ферромагнитным веществам, ферримагнитные вещества притягиваются магнитами и могут быть намагничены для создания постоянных магнитов. Самое старое известное магнитное вещество, магнетит (Fe3O4), до открытия Луи Нелем ферримагнетизма в 1948 году классифицировалось как ферромагнит. С тех пор для ферримагнитных материалов найдено множество применений, например, в пластинах жестких дисков и биомедицинских приложениях.

История

До двадцатого века все встречающиеся в природе магнитные вещества назывались ферромагнетиками. В 1936 году Луи Нель опубликовал статью, в которой предположил существование новой формы кооперативного магнетизма, названной им антиферромагнетизмом. Работая с Mn2Sb, французский физик Шарль Гийо обнаружил, что существующие теории магнетизма не могли адекватно объяснить поведение этого материала, и разработал модель для его объяснения. В 1948 году Нель опубликовал статью о третьем типе кооперативного магнетизма, основанную на предположениях, заложенных в модели Гийо. Он назвал его ферримагнетизмом. В 1970 году Нель был удостоен Нобелевской премии по физике за свои работы в области магнетизма.

Физическое происхождение

Ферримагнетизм имеет те же физические причины, что и ферромагнетизм и антиферромагнетизм. В ферримагнитных материалах намагниченность также обусловлена комбинацией диполь-дипольных взаимодействий и обменных взаимодействий, возникающих вследствие принципа исключения Паули. Главное отличие заключается в том, что в ферримагнитных материалах в элементарной ячейке материала присутствуют различные типы атомов. Пример этого можно увидеть на рисунке выше. Здесь атомы с меньшим магнитным моментом направлены в противоположную сторону от атомов с большим магнитным моментом. Эта структура аналогична той, что наблюдается в антиферромагнитных материалах, но в ферримагнитных материалах результирующий момент отличен от нуля, поскольку противоположно направленные моменты различаются по величине. Ферримагнетики имеют критическую температуру, выше которой они становятся парамагнитными, подобно ферромагнетикам. При этой температуре (которая называется температурой Кюри) происходит фазовый переход второго рода, и система больше не может поддерживать спонтанную намагниченность. Это происходит потому, что при более высоких температурах тепловое движение становится достаточно сильным, чтобы преодолеть тенденцию диполей к выравниванию.

Влияние температуры

В отличие от ферромагнетизма, кривые намагничивания ферримагнетизма могут принимать различные формы в зависимости от силы взаимодействий и относительного содержания атомов. Наиболее заметными проявлениями этого свойства являются возможность изменения направления намагниченности при нагревании ферримагнитного материала от абсолютного нуля до его температуры Кюри, а также увеличение силы намагниченности при нагревании ферримагнитного материала до температуры Кюри – явления, невозможные для ферромагнитных материалов. Эти температурные зависимости экспериментально наблюдались, например, в NiFe2/5Cr8/5O4 и Li1/2Fe5/4Ce5/4O4. Температура, ниже температуры Кюри, при которой противоположные магнитные моменты компенсируют друг друга (в результате чего чистый магнитный момент равен нулю), называется точкой компенсации намагниченности. Эта точка компенсации легко наблюдается в гранатах и сплавах редкоземельных металлов с переходными металлами (RE-TM). Кроме того, ферримагнетики могут иметь точку компенсации углового момента, при которой суммарный угловой момент равен нулю. Эта точка компенсации играет важную роль в обеспечении быстрого переключения намагниченности в устройствах магнитной памяти.

Влияние внешних полей

Когда ферримагниты подвергаются воздействию внешнего магнитного поля, они проявляют так называемый магнитный гистерезис, при котором магнитное поведение зависит от предшествующей намагниченности. Они также демонстрируют насыщение намагниченности; эта намагниченность достигается, когда внешнее поле достаточно сильное, чтобы заставить все магнитные моменты выстроиться в одном направлении. Когда эта точка достигается, дальнейшее увеличение намагниченности невозможно, поскольку все моменты уже выровнены. При снятии внешнего поля намагниченность ферримагнита не исчезает полностью, а сохраняется остаточная намагниченность. Этот эффект широко используется в магнитных приложениях. Если затем приложить внешнее поле в противоположном направлении, магнит будет продолжать размагничиваться, пока в конечном итоге не достигнет намагниченности, равной нулю. Такое поведение формирует так называемую петлю гистерезиса.

Свойства и применение

Ферримагнитные материалы обладают высоким электрическим сопротивлением и анизотропными свойствами. Анизотропия фактически индуцируется внешним приложенным полем. Когда это приложенное поле выравнивается с магнитными диполями, возникает результирующий магнитный дипольный момент, и магнитные диполи начинают прецессировать с частотой, определяемой приложенным полем, называемой ларморовской или прецессионной частотой. В качестве примера, микроволновой сигнал, циркулярно поляризованный в направлении прецессии, сильно взаимодействует с магнитными дипольными моментами, тогда как при обратной поляризации взаимодействие очень слабое. При сильном взаимодействии микроволновой сигнал может проходить сквозь материал. Это направленное свойство используется при создании микроволновых устройств, таких как изоляторы, циркуляторы и гираторы. Ферримагнитные материалы также применяются для производства оптических изоляторов и циркуляторов. Ферримагнитные минералы в различных типах горных пород используются для изучения древних геомагнитных свойств Земли и других планет. Эта область науки известна как палеомагнетизм. Кроме того, установлено, что ферримагнетики, такие как магнетит, могут быть использованы для аккумулирования тепловой энергии.

Примеры

Самый старый из известных магнитных материалов, магнетит, является ферримагнитным веществом. Тетраэдрические и октаэдрические позиции его кристаллической структуры демонстрируют противоположные спины. Другие известные ферримагнитные материалы включают гранат итриевого железа (YIG); кубические ферриты, состоящие из оксидов железа с другими элементами, такими как алюминий, кобальт, никель, марганец и цинк; и гексагональные или ферриты типа спинели, включая феррит рения ReFe2O4, PbFe12O19 и BaFe12O19, а также пирротин Fe1−xS. Ферримагнетизм также может возникать в одномолекулярных магнитах. Классическим примером является декануклеарная молекула марганца с эффективным спином S = 10, полученным в результате антиферромагнитного взаимодействия между ионами Mn(IV) и ионами Mn(III) и Mn(II).