В 30-х годах в Харькове группа молодых ученых под руководством Л. В. Шубникова обнаружила удивительные аномалии в поведении ряда веществ — хлоридов переходных элементов. Их теплоёмкость при некоторой температуре (характерной для каждого вещества) изменялась скачком, а магнитная восприимчивость имела при той же температуре максимум. За несколько лет до этого Л. Д. Ландау теоретически исследовал поведение системы магнитных моментов, обменное взаимодействие между которыми таково, что им выгодно располагаться антипараллельно. Он показал, что при определенной температуре (она потом получила название температуры Нееля On) в расположении магнитных моментов возникает определенный порядок.
Чем температура ниже, тем порядок больше. При абсолютном нуле расположение полностью упорядочено. Но не так, как в ферромагнетике. Каждый магнитный момент окружен антипараллель- ными соседями. Поэтому вещества с подобным типом упорядочения получили название антиферромагнетиков. Вблизи температуры Нееля (согласно теории Ландау) должны были наблюдаться и наблюдались аномалии, о которых речь шла выше.
Антиферромагнетиков в природе немало. Вот несколько примеров:
|
Соединение |
NiSO* |
FeSO* |
NiO |
FeO |
NiF2 |
FeF* |
|
е°,к |
37 |
21 |
520 |
188 |
73.2 |
78,3 |
Лнтифсрромагмп и ;*ми бывают не только соединения. Хром, многие редкоземельные металлы — антиферромагнетики. На рисунке 4.4 для примера изображена кристаллическая структура железа и фторидов переходного элемента.
Появление магнитного порядка в ферромагнетике обнаружить легко. О нем сообщает магнитное поле, создаваемое ферромагнетиком. Спонтанный магнитный момент ферромагнетика можно измерить непосредственно. А как непосредственно обнаружить порядок в расположении магнитных моментов? Это можно сделать, исследуя рассеяние нейтронов антиферромагнетиком.
Хорошо известно, что кристалл ведет себя как объемная диф- фракционная решетка. На этом основан рентгеноструктурный анализ, позволяющий восстановить расположение атомов в кристаллической решетке. Одно из условий успешного применения волн к исследованию кристаллических структур таково: длина волны должна приблизительно совпадать со средним расстоянием между атомами. Поэтому и используют именно рентгеновские лучи, а не видимый свет и не у-кванты.
Для понимания свойств магнетика знать, как расположены магнитные моменты атомов, необходимо, но еще важно представлять себе, как они движутся.
Рис. 4.4. Кристаллическая ячейка железа; магнитные моменты направлены в одну сторону (слева). Кристаллическая ячейка антиферромагнетика — фторида переходного элемента; магнитные моменты соседних парамагнитных атомов антипараллельны (справа). 1 — железо, 2 — железо или кобальт, 3 — фтор.
Атомные частицы, как известно, обладают наряду с корпускулярными также волновыми свойствами. Волновые свойства частиц дают возможность использовать электроны, протоны, нейтроны для исследования кристаллических структур наряду с рентгеновскими лучами. Для исследования магнитного порядка нейтроны особенно удобны. И для рентгеновского кванта и для электрона атом с магнитным моментом вверх и атом с магнитным моментом вниз одно и то же. Например, электроны взаимодействуют главным образом с зарядами в атоме, и это взаимодействие носит электростатический характер. А у нейтрона заряда нет, но есть магнитный момент. Поэтому различным образом ориентированные атомы рассеивают различно— для нейтронов атомы с различными направлениями магнитных моментов неэквивалентны.
Исследования антиферромагнетиков с помощью рассеяния нейтронов оказали и оказывают существенную помощь в изучении этого интереснейшего класса магнетиков.