6.3. Феромагнетизм, антиферомагнетизм, феримагнетизм

Для опису впорядкованих магнітних структур, які приводять до феромагнетизму, антиферомагнетизму та феримагнетизму, вводять поняття магнітної елементарної комірки - найменшої сукупності груп атомів кристалічної структури, трансляцією якої одержують усю магнітну структуру кристала. Магнітна елементарна комірка може збігатися з кристалічною, однак у більшості випадків її розмір є кратним розміру кристалічної. Останніми роками відкрито несумірні структури, в яких відношення параметрів магнітної та кристалічної решіток є ірраціональним числом. Усі кристали з магнітними елементарними комірками поділяють на дві групи: з таким, що не дорівнює нулю та з таким, що дорівнює нулю сумарним (результуючим) магнітним моментом.

Такий, що не дорівнює нулю, сумарний макроскопічний момент одиниці об'єму називають спонтанною намагніченістю і позначають символом JS. Кристали, в яких JS0, називають феромагнетиками, а кристали з JS=0 називають  антиферомагнетиками. Схематично різні типи магнітного впорядкування у кристалах зображені на рис. 6.1.

У феромагнітній структурі всі магнітні моменти атомів (для простоти на рис. 6.1 зображені атоми одного сорту) напрямлені паралельно один одному, внаслідок чого в такій структурі JS0. В антиферомагнітній структурі сусідні вузли займають атоми, які мають рівні, але протилежно напрямлені магнітні моменти, які взаємно компенсуються, тому JS=0. Вісь, уздовж якої розміщуються антиферомагнітно впорядковані магнітні моменти, називають віссю антиферомагнетизму.

Усі атоми, які мають однаковий напрям магнітних моментів у структурі, об'єднують у так звані магнітні підрешітки. На рис. 6.1 б атоми, магнітні моменти яких напрямлені "вгору", утворюють одну підрешітку, а атоми з протилежним напрямом магнітних моментів -іншу підрешітку. Ці дві підрешітки утворені атомами, які перебувають у кристалографічно еквівалентних положеннях, тому їх називають еквівалентними магнітними підрешітками. У загальному випадку магнітна структура може містити декілька підрешіток, утворених атомами з кристалографічно нееквівалентних позицій.

У феримагнітній структурі (рис. 6.1 в) сусідні атоми також мають антипаралельну орієнтацію, однак сумарний магнітний момент комірки не дорівнює нулю. Отже, така структура має спонтанну   намагніченість,   оскільки   магнітні моменти іонів різних підрешіток є нескомпенсованими. Неповна компенсація зумовлена тим, що в елементарну магнітну підрешітку може входити неоднакове число атомів або величини моментів різних атомів є неоднаковими. В цьому розумінні феримагнетизм називають нескомпенсованим антиферомагнетизмом.

Розглянуті магнітні структури називають колінеарними. Крім них, є багато типів неколінеарних магнітних структур (рис. 6.1 г, д). Слабонеколінеарна магнітна структура властива слабким феромагнетикам і характеризується наявністю невеликого за величиною результуючого магнітного моменту, який виникає внаслідок незначної неколінеарності напрямів антиферомагнітного впорядкування магнітних моментів підрешіток. Крім того, можливою є також слабонеколінеарна антиферомагнітна структура, яка не має результуючого моменту.

Існують сильнонеколінеарні структури, в яких магнітні моменти двох підрешіток напрямлені під кутами один до одного, і при їх додаванні виникає результуючий момент, антипаралельний моменту третьої підрешітки. Особливу групу становлять кристали, в яких спостерігається гвинтове та гелікоїдальне магнітне впорядкування.

Магнітну структуру речовин визначають багатьма методами. Прямий метод визначення атомної магнітної структури ґрунтується на явищі дифракції нейтронів. У деяких випадках певні дані про магнітну структуру можна дістати за допомогою ефекту Месбауера та методом ядерного магнітного резонансу (ЯМР).