Пьезомагнетизм (пьезомагнитный эффект). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Пьезомагнетизм (пьезомагнитный эффект) - возникновение в веществе спонтанного магнитного момента при наложении упругих напряжений. П. может сушествовать только в антиферромагнетиках и ферромагнетиках и принципиально невозможен в пара-и диамагнетиках.

Термодинамич. рассмотрение вопроса о П. основывается на выделении и изучении в разложении термодинамического потенциала F членов, линейных по магн. полю H_i и по одной из компонент тензора упругих напряжений

Если все преобразования магн. симметрии данного кристалла оставляют инвариантным хотя бы один член в этом выражении, то соответствующий коэф.

(модуль П.) будет отличен от нуля и в кристалле будет возникать пьезомагн. момент

зависящий от приложенного напряжения

Эта идея впервые была высказана В. Фойгтом [1]. Однако он ошибочно считал, что достаточно учитывать только кристаллографич. симметрию.

Пара- или диамагнитный кристалл не может быть пьезомагнетиком, поскольку в группу магн. симметрии такого кристалла самостоятельно входит элемент инверсии времени Л, к-рый изменяет знаки магн. полей и моментов на обратные (см. Магнитная симметрия ).Поэтому для пара- и диамагнетиков все компоненты пьезомагн. тензора

тождественно равны нулю. В веществах, обладающих упорядоченной магн. структурой (в ферромагнетиках и антиферромагнетиках), R встречается только в комбинациях с др. элементами симметрии. Поэтому в принципе такие вещества могут быть пьезомагнетиками [2]. Симметрийный анализ позволил установить все классы магн. симметрии, к-рые допускают П. Их оказалось 66, и для всех найден вид тензоров

Благодаря симметрии тензора s_jk пьезомагн. тензоры могут быть представлены в виде матриц 3 x 6, и число таких матриц равно 16 [3].

Пьезомагн. момент сравнительно мал. Поэтому практически наблюдать его можно только в антиферромагнетиках, к-рые в нормальных условиях не обладают спонтанным магн. моментом. Теоретич. исследование магн. симметрии известных антиферромагнетиков позволило И. Е. Дзяяошинскому [4] (ещё до того, как были найдены все магн. классы, допускающие П.) найти среди них ряд веществ (Fe₂0₃, FeCO₂, MnF₂, CoF₂, FeF₂), в к-рых должен наблюдаться П.

П. в антиферромагнетиках тесно связан с явлением слабого ферромагнетизма. Так же, как и магн. момент слабых ферромагнетиков, пьезомагн. момент может быть направлен перпендикулярно к направлению спонтанной намагниченности магнитных подрешёток или параллельно ему. В первом случае возникает скос векторов подрешёток, приводящий к возникновению пьезомагн. момента. Продольный П. связан с изменением намагниченности подрешёток.

Экспериментально П. обнаружен в 1959 в антифер-ромагн. кристаллах MnF₂ и CoF₂ [5]. В этих кристаллах в соответствии с соображениями симметрии отличны от нуля только три компоненты пьезомагн. тензора:

. Для CoF₂ пьезомагн. модули при температуре 20.4 R имеют следующие значения: L_xyz = 2·10^-3 Гс·см²/кГ и L_zxy=0,8·10^-3 Гс·см²/кГ. На примере антиферромагн. фторидов легко понять микроскопич. природу продольного пьезомагн. эффекта.

Рис. 1. Схематическое изображение деформированной элементарной ячейки (d - период ячейки) антиферромагнитных фторидов переходных металлов (CoF₂). Ось г перпендикулярна плоскости чертежа. Ионы, обозначенные заштрихованными кружками, сдвинуты на половину периода кристаллической решётки вдоль оси z относительно незаштрихованных.

На рис. 1 показана схема расположения попив в деформированной тетрагональной решётке, когда кристаллографически эквивалентные узлы 1 и 2 после сдвиговой деформации в плоскости ху перестают быть эквивалентными. При этом расстояние d до ближайших ионов фтора для магн. ионов в подрешётке 1 увеличивается, а для ионов в подрешётке 2 - уменьшается.

Очевидно, что при этом изменения величины намагниченности подрешёток должны быть противоположными и их равенство будет нарушаться [6]. Из рис. 2 видно, что температурная зависимость пьезомагн. модуля аналогична температурной зависимости намагниченности подрешёток.

Рис. 2. Температурная зависимость модуля пьезомагнетизма

у CoF₂ (точки - данные эксперимента).

П. существенно зависит от доменной структуры антиферромагнетика. 180-градусные домены отличаются знаком антиферромагн. вектора

- намагниченности подрешёток), а компоненты тензора П. линейно зависят от компонент вектора

В многодоменном антиферромагн. образце П. может быть сильно ослаблен. Поэтому П. в чистом виде наблюдают в однодоменных образцах. При перемагничива-нии однодоменного образца, обладающего пьезомагн. моментом, происходит переворот домена и соответственно векторы намагниченности подрешёток поворачиваются на 180°. Используя П., легко получать одно-доменные антиферромагн. кристаллы, охлаждая их из парамагн. состояния в магн. поле при соответствующей деформации. Это было подтверждено методами нейтронографии.

П. наблюдался также в FeCO₃ и в низкотемпературной модификации

Магн. симметрия обоих веществ одинакова, и в них наблюдаются следующие отличные от нуля компоненты тензора П.:

. Их величина примерно на порядок меньше, чем у CoF₂. В высокотемпературной модификации a = Fe₂O₃ удалось измерить только один модуль П.-

, величина к-рого тоже на порядок меньше, чем у CoF₂.

Из ф-лы (*) видно, что наряду с П. должен существовать обратный эффект - линейная магнитострикция ,при к-рой компоненты тензора деформаций линейно связаны с магн. полем:

, Знак линейной магнитострикции, как и

в случае П., зависит от знака вектора

характеризующего образовавшееся доменное состояние образца. Линейная магнитострикция наблюдалась в CoF₂ и a = Fe₂0₃ (в обеих антиферромагн. модификациях). В ходе исследования линейной магнитострикции в этих веществах было обнаружено, что в сильных магн. полях знак магнитострикции может скачком изменяться, что указывает на индуцированное полем скачкообразное изменение доменной структуры антиферромагнетика (поворот вектора антиферромагнетизма

на 180°). Линейная магнитострикция наблюдалась также при спин-переориентац. переходах в ортоферритах (YFe0₃и DyFeO₃) и ортохромитах (YCrO₃) (см. Магнитный фазовый переход ).В этих соединениях в определ. интервале значений температуры направление антиферромагн. вектора

плавно изменяется от одного кристал-лографич. направления к другому. При этом, как показывает симметрийный анализ, должна наблюдаться линейная магнитострикция, приводящая к моноклинному искажению орторомбич. решётки. Направление вектора L антиферромагн. домена и в этом случае определяет знак магнитострикции. Линейная магнитострикция даёт значит. вклад в магнитоупругие свойства антиферромагнетиков вблизи Нееля точки

Симметрийным аналогом линейной магнитострикции является эффект линейного по магн. полю магн. двулу-чепреломления. В отличие от обычного квадратичного по полю Коттона-Мутона эффекта, линейное дву-лучепреломление наблюдается в одноосных антиферромагнетиках при приложении магн. поля вдоль оси антиферромагнетизма [7].

Литература по пьезомагнетизму (пьезомагнитному эффекту)

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.