Метамагнетизм

Метамагнети́зм — магнитный переход из состояния со слабой намагниченностью в состояние с большой намагниченностью в магнетиках с относительно небольшой магнитной восприимчивостью под действием внешнего магнитного поля.

Физические основы

Файл:Магнитные превращения Метамагнетизм 2.svg

Рис. 1. Метамагнетизм. Магнитные превращения

Метамагнетизмом обладают ферромагнетики и слоистые ферромагнетики, которые ниже температуры Нееля ведут себя как антиферромагнетики. В слоистых ферромагнетиках магнитные моменты каждого слоя упорядочены ферромагнитным образом, а соседние слои — антиферромагнитно. Обменные взаимодействия внутри слоёв гораздо больше обменных взаимодействий между слоями метамагнетика. Однако, при увеличении напряжённости внешнего магнитного поля в метамагнетиках возможен скачкообразный переход от анизотропии к новой внутренней магнитной структуре. Собственно, этот переход от состояния с низкой намагниченностью к состоянию с большой намагниченностью (при сохранении большой величины магнитной восприимчивости) и называют метамагнетизмом. Величина критического поля определяется по формуле:

$H_{cr}\thicksim {\frac {kT_{N}}{\mu _{eff}}}$,

где $T_{N}$ — температура Нееля.

Метамагнетизм входит в семейство ферромагнитных и антиферромагнитных магнетиков (см. рисунок 2). В них существует дальний коллинеарный порядок распределения спонтанных магнитных моментов, в котором ориентация происходит параллельно или противоположно оси лёгкого намагничивания.

На рисунке 1 показаны фазовые диаграммы разделения магнетиков по их магнитным свойствам в зависимости от величины анизотропии магнитных моментов. Видно, что при большой величине анизотропии $D$ в критическом поле магнитный момент, ориентированный не по полю, может спонтанно изменять направление своего магнитного вектора на противоположное, то есть переворачиваться. В англоязычной литературе это явление называется спин-флип (spin flip) эффектом, поворотом спина, в результате чего спин устанавливается параллельно направлению внешнего магнитного поля.

При малом значении анизотропии магнитных моментов $D$ во внешнем магнитном поле $H_{i}$, вектор напряжённости которого направлен вдоль оси лёгкого намагничивания, магнитный момент магнетика ориентируется перпендикулярно полю, а а не параллельно или антипараллельно. После достижения критического значения напряжённости магнитного поля магнитные моменты, направление которых далеко от направления вектора напряжённости магнитного поля, будут стремиться расположиться перпендикулярно полю, что приводит к эффекту опрокидывания спина (в англоязычной литературе этот эффект получил названия spin flop).

На рисунке 2 показаны разные поведения типичных метамагнетиков, хотя возможны и другие варианты, например, переход при низких температурах от антиферромагнетизма непосредственно к магнитно-насыщенному парамагнетизму.

В ряде магнитных систем возможен так называемый метамагнетизм коллективизированных (обобщённых) электронов, если величина напряжённости внешнего магнитного поля $H_{i}$ очень велико (порядка 10- 50 Тл). Этот эффект проявляется в соединениях $3d$-переходных металлов, таких как ${\ce {YbCo2}}$, ${\ce {TiBe2}}$, ${\ce {FePt3}}$. В них наблюдались переходы из парамагнитного состояния в ферромагнитное, а также из антиферромагнитного в ферромагнитное.

Файл:Взаимосвязь между разновидностями магнетизма (по К. М. Хёрду) Метамагнетизм.svg

Рис. 2. Взаимосвязь между разновидностями магнетизма (по К. М. Хёрду)

На рисунке 2 показана взаимосвязь разновидностей магнетизма согласно классификации К. М. Хёрда.

Метамагнетики применяются в технике, медицине, системах автоматического управления, магнитных покрытиях, компонентах, устройствах и методах неразрушающего контроля.

Литература

• Бозорт Р. М. Ферромагнетизм. — Москва : Изд. иностранной литературы, 1956.
• Mattis D. С. The theory of magnetism. — Berlin: Springer-Verlag, 1981.
• Хёрд К. М. Многообразие видов магнитного упорядочения в твёрдых телах. // Успехи физических наук, 1984, Т. 142, № 2, C. 331—355.
• Вонсовский С. В. Магнетизм. — Москва : Наука, 1984.
• Преображенский А. А., Бишард Е. Г. Магнитные материалы и элементы : учебник для вузов. — Москва : Высшая школа, 1986.
• Зайкова В. А., Старцева И. Е., Филиппов Б. Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей. — Москва : Наука, 1992.

Ссылки

• [Pletnyov_S._V. Магнитное поле: Свойства и применение]

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Метамагнетизм», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Метамагнетизм» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».