Ориентационные фазовые переходы - (спин-переориентационные переходы) - особый класс магнитных фазовых переходов, при к-рых
меняется ориентация осей лёгкого намагничивания магнетиков при изменении
внеш. параметров (температуры, магн. поля). Эти фазовые переходы происходят
между магнитоупорядоченными фазами магнетика и относятся к т. н. переходам
типа порядок - порядок. При О. ф. и. перестраивается магнитная атомная
структура и изменяется магнитная симметрия кристаллов. О. ф.
и., происходящие при изменении температуры, наз. спонтанными переходами, при
изменении внеш. магн. поля - индуцированными переходами.
Простейшим примером спонтанного О. ф.
п. является наблюдаемая в ряде магн. кристаллов переориентация спинов (спиновых
магн. моментов) от одной кристаллографич. оси к другой при изменении температуры.
Такие переходы наблюдаются, напр., в классич. ферромагнесике кобальте,
в гадолинии, в интерметаллических соединениях RCo5 (где
R - Nd, Pr, Dy, Tb), ферримагнетиках Mn2Sb и Ba2Co2Fe12О22
и в целом ряде редкоземельных магнптоупорядоченных кристаллов [1]. Спонтанная
переориентация магн. моментов обусловлена в них температурной зависимостью
энергии магнитной анизотропии.
В том случае, когда переориентация моментов
осуществляется в нек-рой кристаллографич. плоскости кристалла, изменение
термодинамич. потенциала Ф кристалла удобно представить в виде
где К1 и К2
- константы анизотропии, изменение к-рых с температурой и приводит к
О. ф. п.;
- угол
ориентации оси лёгкого намагничивания относительно кристаллография, осей
в плоскости переориентации. Минимизация (1) по углу
приводит
к трём возможным состояниям системы (вблизи от О. ф. п. К2
считают не зависящей от температуры):
Если К1 знакопеременна,
а К2 > 0 в рассматриваемой области температур, то в кристалле
могут существовать коллинеарные фазы I и II и угл. фаза III. Темп-ры Т1
[при к-рой К1(T1) + 2К2
= 0] и Т2 [при к-рой К1(Т2)
= 0] есть точки О. ф. п. II
III
и I
III соответственно.
На рис. 1 приведены в качестве примеров температурные зависимости констант
К1
и К2 гексагональных интерметаллич. соединений NdCo5
и РгСо5, на рис. 2 показаны температурные зависимости угла отклонения
намагниченности от гексагональной оси для этих соединений. Переходы между
фазами I
111
и III
II, возникающие
при инверсии знака константы анизотропии К1, являются
типичными примерами фазовых переходов, описываемых квантовой теорией [2].
Рис. 1. Температурные зависимости констант анизотропии для NdCo5 (пунктир) и РrСо5 (сплошная линия).
Действительно, в случае, напр., перехода
I
III, разложение
термодинамич. потенциала (1) в ряд по
[зависимость К1(Т) в рассматриваемой области температур
предполагается линейной]:
где
(Т)
= 2К1(Т) = 2К(Т - Т2)/Т2, К- константа,
= 4К2,
Угол
здесь играет роль параметра порядка.
Рис. 2. Температурные зависимости ориентации осей лёгкого намагничивания для NdCo5 и РrСо5.
Такую же форму принимает термодинамич.
потенциал вблизи точки Т = Т1 при
(либо
).
Т. о., переориентация магн. моментов, описываемая термодинамич. потенциалом
(1), при К2 > 0 происходит непрерывно, путём двух фазовых
переходов 2-го рода при темп-pax Т1 и Т2. Параметр
(параметр порядка) меняется при этом непрерывно, а производная
имеет разрывы на концах области переориентации (рис. 3,а). Очевидно,
что вблизи температур Т1 и Т2, при к-рых
происходят фазовые переходы 2-го рода, должны наблюдаться характерные особенности
в поведении ряда термодинамич. величин: теплоёмкости, модуля Юнга и т.
п., а также расходимость восприимчивости (описывающей отклик параметра
порядка на термодинамически сопряжённое ему поле), обращение в нуль частоты
колебаний параметра порядка (мягкая мода), замедление его релаксации и
т. д. Такие аномалии в окрестности точки О. ф. п. действительно наблюдались,
напр., в редкоземельных магнетиках [1]. При непрерывной переориентации
магн. моментов угл. фаза III играет роль "буфера". Она позволяет магн.
моментам непрерывно переходить из фазы I в фазу II. О. ф. п. относятся
к переходам, для которых квантовая теория является очень хорошим приближением,
т. к. флуктуации параметра порядка в критич. состоянии здесь можно не учитывать,
поскольку они проявляются в очень узкой области температур (
Т ~
10-6 - 10-8K) вблизи точки перехода.
Рис. 3. Температурная зависимость угла
при ориентационном фазовом переходе: а - К2 >
0; б - К2 < 0.
При К2 < 0 фаза III
является неустойчивой и температурные области существования фаз I и И перекрываются.
С точки зрения симметрии, непосредств. непрерывный переход I
II
невозможен, т. к. для непрерывного перехода необходимо, чтобы группа магн.
симметрии одной из фаз, участвующей в переходе, была подгруппой симметрии
другой фазы, что для фаз I и II не выполняется. Следовательно, непосредств.
переход I
II
может осуществляться только скачкообразно (фазовый переход 1-го рода) при
Т = Тс, где Тс определяется условиями
равенства термодинамич. потенциалов обеих фаз: Ф(
= 0) = Ф(
),
т. е. K1(Tc) + K2 = 0.
Темп-ры Т1 и Т2, определяемые ур-ниями
К1(Т2)
= 0 и K1(T1)+ 2К2 = 0, есть границы областей существования метастабильных фаз (в предположении,
что переход I
II
происходит однородно по образцу). Разложение Ф по
(либо
приводит к выражению (2), где
= 4К2 < 0, что, согласно квантовой теории, является признаком
фазового перехода 1-го рода. На рис. 3(б) изображена зависимость
(Т)для этого случая.
Внеш. магн. поле Нвн
оказывает существ. влияние на О. ф. п., подавляя их или, наоборот, способствуя
их возникновению. Поле Нвн может также индуцировать О.
ф. п. Напр., в целом ряде антиферромагнетиков при достаточно большом (критическом)
значении магн. поля Нс, приложенного вдоль оси антиферромагнетизма,
происходит переориентация спинов, и намагниченность магн. подрешёток устанавливается
перпендикулярно направлению действующего магн. поля [3] (см. Спин-флоп
переход). Индуцированные полем О. ф. п. наблюдались также в
слабых ферромагнетиках, в частности в редкоземельных ортоферритах, для
к-рых были исследованы разнообразные фазовые диаграммы Нс-
Т [1].
А. М. Кадомцева
|
|
 |
