Магнитоэлектрический эффект. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитоэлектрический эффект - возникновение в диэлектрич. кристалле намагниченности т, индуцированной электрич. полем E, или поляризации р, индуцированной магп. полем H. Магнитоэлектрический эффект - результат взаимодействия двух подсистем ионного кристалла: электрической, состоящей из заряж. ионов, и магнитной - совокупности нескомпенсиров. спиновых магн. моментов ионов. Полное феноменоло-гич. описание всех возможных магнитоэлектрич. взаимодействий может быть выполнено на основе термодп-намич. теории фазовых переходов 2-го рода. M. э. чаще всего наблюдается в антиферромагн. кристаллах, для к-рых термодинамический потенциал F есть функция проекции векторов: намагниченности т, антиферромагнетизма l и вектора p - изменения электрич. поляризации, вызванного внеш. полями E и H и (или) переходом в магнитоупорядоченное состояние. Для однодоменных кристаллов, т. е. таких, в к-рых векторы m, l и p имеют одинаковую величину и одинаковое направление во всех элементарных ячейках кристалла, связанная с M. э. часть потенциала записывается в виде разложения по смешанным произведениям проекций этих векторов. Из числа всех возможных смешанных произведений вида

l²p² и т. д. в F входят лишь те, к-рые инвариантны при всех преобразованиях группы симметрии парамагн. фазы конкретного кристалла. Условия устойчивости состояния:

- позволяют найти равновесные значения т и р, причём M. э. возможен, если т(Е) <> 0 и (или) р(Н) <> 0 (<> - неравное). Вид слагаемых в функциях т(Е) и p(H) зависит от того, с какими членами в разложении F они связаны, при этом те из слагаемых, к-рые содержат проекции l, появляются только для кристаллов, обладающих магнитной атомной структурой.

Наиб, известен т. н. линейный магнитоэлектрический эффект, возникающий в результате взаимодействий типа lmp, к-рые приводят к линейной связи вида

где a_ij - компоненты тензора магнитоэлектрического эффекта, пропорциональны проекции вектора (здесь и далее суммирование осуществляется по повторяющимся индексам).

В однодоменном кристалле направление l задано и взаимная ориентация как т(Е)и E, так и р(H) и H полностью определяется величинами

Изменение направления l на 180° соответствует др. магн. домену, в к-ром при неизменных относительно кристалла направлениях E и H векторы т(Е)и р(Н)будут направлены в противоположную сторону. Это обстоятельство используется в эксперименте для получения однодо-менного состояния. Кристалл охлаждается ниже точки магн. перехода T_N (см. Нееля точка)в присутствии пост, полей E и H, ориентированных так, чтобы вдоль направлений этих полей

В процессе перехода кристалла в магнитоупорядоченное состояние магнитоэлектрич. взаимодействия реализуют во всём объёме кристалла единственный магнитный домен, соответствующий минимуму термодинамнч. потенциала Ф.

Линейный магнитоэлектрический эффект обнаружен в 1960 (Д. H. Астров) в кристалле оксида хрома Cr₂O₃, элементарная ячейка к-рого показана на рис. 1, а. Для

, где индекс ^ обозначает величины в оазисной плоскости кристалла. При переходе к другому домену (рис. 1, б)изменяются знаки a_z и a_^ однако указать, какому именно домену какой знак соответствует, невозможно.

В сегнетоэлектрич. борацитах - кристаллах с общей ф-лой

Br, I) при

(Кюри точке)также наблюдается линейный M. э., к-рый, в отличие от магнитоэлектрического эффекта в Cr₂O₃, описывается как диагональными, так и недиагональ-иыми компонентами тензора a_ij

Известно неск. десятков антиферромагнетиков, в к-рых возможен и наблюдается линейный M. э. с величиной a в пределах от 10^-5 до 10^-2 (TbPO₄),

Нелинейные магнитоэлектрический эффект возникают в результате магнитоэлектрич. взаимодействий вида

к-рые приводят к квадратичным зависимостям соответственно по

Рис. 1. Элементарная магнитная ячейка антиферромагнетика Cr₂O₃; а и б - направления магнитных моментов s₁, s₂, s₃ и s₄ионов в доменах с противоположно ориентированными векторами антиферромагнетизма l

Первый из них возможен во всех кристаллах без центра симметрии в парамагн. фазе при

и впервые наблюдался в

второй вовможен только в магнитоупорядоченных кристаллах и наблюдался, напр., в веществах с общей ф-лой RFe₅O₁₂ и RFeO₃ (R - редкоземельный ион) с

Наконец, взаимодействия вида pl² в кристаллах со слабым ферромагнетизмом (напр., в Со-I-бораците) обусловливают как линейный, так и нелинейный M. э.

M. э. удобно наблюдать динамич. методом, прикладывая к кристаллу переменные поля

или

на частоте f и измеряя индуцированные ими намагниченность

или поляризацию

. Селективная техника обеспечивает достаточно высокую чувствительность даже при измерении слабых квадратичных магнитоэлектрических эффектов в полях

с амплитудой много меньше той, к-рая может изменить доменную структуру. В динамич. методе линейному M. э. соответствует сигнал на той же частоте f, а квадратичному на частоте

При наблюдении квадратичных M. э. можно прикладывать к кристаллу одновременно как переменные

так и пост, поля

Тогда

, т. е. зависимости

будут линейными на той же частоте, что и частота

В этом случае M. э. можно рассматривать как линейный, индуцированный пост, полем Н₀ или E₀₀.

Проявления магнитоэлектрич. взаимодействий не ограничиваются магнитоэлектрическим эффектом. Так, при наличии в F членов вида

парамагн. восприимчивость

и поляризуемость

оказываются зависящими линейно от полей

соответственно. Зависимость

наблюдалась экспериментально в кристалле

Член вида

обусловливает появление поляризации

при переходе кристалла в магнитоупорядоченное состояние. Наконец, член вида

приводит к изломам на кривой температурной зависимости диэлектрич. проницаемости

при

в точке Кюри при

Магнйтоэлектрич. взаимодействия могут изменять поляризацию эл--магн. волн при их отражении или пропускании кристаллами, обладающими M. э., вызывать параметрнч. возбуждение спиновых волн в сегнетомаг-нетиках под действием поля

высокой частоты или поглощение переменного магн. поля на резонансных частотах электрич. дипольной структуры.

Термодинамич. теория, позволяющая найти вид потенциала F для кристалла с известной симметрией, не даёт никаких сведений ни о величинах констант, описывающих магнитоэлектрический эффект, ни о природе микроскопич. сил, ответственных за его проявление. При изучении механизма M. э. приходится использовать модельные представления, а имеющаяся "микроскопическая" теория носит в основном качеств, характер. Так, описание зависимости

(рис. 2) удаётся получить на основе модели о сближении ионов

, принадлежащих одной магн. подрешётке, с ионами

и удалении от них ионов другой подрешётки под действием поля что приводит к изменению изотропного косвенного обменного взаимодействия в подрешётках.

В результате намагниченности становятся разными и появляется намагниченность кристалла в целом. Эта же модель может быть применена и к др. кристаллам, обладающим M. э., большинство из к-рых содержит кислород.

При наложении на кристалл достаточно больших полей

в нём возможны скачкообразные изменения

связанные с переходом от одного домена к другому. Так, в Ni - I-борацито при увеличении магн. поля, направленного перпендикулярно вектору спонтанной намагниченности, в точке

происходит переброс этого вектора на 90⁰ и вектора спонтанной поляризации на 180° (рис. 3). Внеш. электрич. поле может в свою очередь изменить направление p на 180° с одноврем. перебросом m на 90°. В Cr₂O₃резкое изменение знака M. э., связанное с переходом от одного домена к другому (переключение доменов), наблюдается при одноврем. наложении достаточно сильных полей E_zи H_z.

Рис. 3. Изменение ориентации векторов спонтанной намагниченности т и поляризации r в Ni - I-бораците при достижении внешним магнитным полем критического значения Н_с.

Синтез монокристаллич. веществ, как правило, очень труден, что препятствует всестороннему изучению M. э., однако его простая регистрация возможна в порошках и поликристаллах, где величина

достигает

от её значения для монокристалла. Охлаждение поликристаллич. образцов ниже

в полях

создаёт избыток доменов одного типа и, следовательно, макроскопич. намагниченность таких образцов.

Все возможные классы магнитной симметрии, допускающие M. э., известны. Экспериментально изученные вещества относятся только к части этих классов, и лишь для неск. веществ получено полное согласие между результатами измерений и предсказаниями теории. Прямое определение магн. симметрии методами нейтронографии часто затруднено. Исследование M. э., конкретные проявления к-рого зависят от магн. симметрии, и ряде случаев позволяет дополнить ней-тронографич. данные или даже определить магн. атомную структуру независимо, а также получить сведения об её изменении, напр, при ориентаиионном фазовом переходе антиферромагнетика в сильном магн. поле (спин-флоп переход).

Практич. применения M. э. (магн. память, фазовращатели, затворы, невзаимные и переключающие элементы в оптике и т. д.) возможны, однако ни одно из подобных устройств не было реализовано в связи с отсутствием монокристаллич. материалов высокого качества.

Литература по магнитоэлектрическому эффекту

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.