Ферромагнитный и антиферромагнитный резонанс. Серебрякова Таисия. Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела - презентация

1 Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Ферромагнитный и антиферромагнитный резонанс Серебрякова Таисия Группа 21511

2 Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Ферромагнитный резонанс Проявляется в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами w 0 прецессии магнитных моментов электронной системы ферромагнитного образца во внутреннем эффективном магнитном поле Н эф.ферромагнетиком В более узком смысле – возбуждение колебаний типа однородной (во всём объёме образца) прецессии вектора намагниченности J(спиновых волн с волновым вектором спиновых волн k = 0), вызываемое магнитным СВЧ-полем H *, перпендикулярным постоянному намагничивающему полю H 0.

3 Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела В пределе длинных волн магноны можно представить как классические волны намагниченности в кристалле. Частоты типичных магнонов лежат в микроволновой области~10-10 с-1, их энергия порядка 5·10-5 эВ. На рис.2. схематично показано распространение волны прецессии спинов. Каждый спин прецессирует и фаза прецессии определяется волновым вектором q спиновой волны в кристалле. В рамках модели Гейзенберга распространение спиновых волн можно исследовать классически. Волновое движение спина Картина на рис. 1 имеет место при абсолютном нуле температуры. При конечных температурах или внешних воздействиях система спинов отклоняется от строго коллинеарной ориентации. Появляются возбуждённые состояния. Это приводит к тому, что отклонившийся спин не может оставаться локализованным на атоме и стремится перемещаться по кристаллу. Движение отклонений спина имеет волновой характер. Такие волны называются спиновыми волнами, а их кванты – магнонами.

4 Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела В ферромагнетиках имеется система спинов зонных электронов и спиновых моментов атомов (или ионов). Эти спины упорядочены силами, которые значительно больше сил магнитного дипольного взаимодействия, причиной упорядочения спинов являются кулоновские силы, которые проявляются в обменном взаимодействии электронов. Видно, что в отличии от ферромагнетика в антиферромагнетике с отрицательным обменным взаимодействием суммарная намагниченность равна 0. Но если в веществе имеются магнитные ионы с разной величиной спина, что на рис. 2(в) показано разным диаметром кружков, то и при отрицательном обменном взаимодействии возможна не нулевая намагниченность как в ферримагнетиках. Ферромагнетизм возникает только когда расстояние между магнитными ионами меньше длины свободного пробега носителей тока. Т.е. концентрация магнитных ионов должна быть достаточно велика. Вторым благоприятствующим ферромагнетизму фактором является высокая концентрация носителей тока.

5 Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Как и в случае фононов в решётке с базисом появляются оптические ветви для магнонов, соответствующие противоположным направлениям прецессии у соседних спинов. На рис. 3. приведены дисперсионные кривые для двух ферромагнетиков – сплава кобальта с железом и оксида железа, полученные по данным неупругого рассеяния нейтронов. Как и для фононов, в отличии от магнонов в ферромагнетике, в пределе длинных волн зависимость частоты от волнового числа близка к линейной. Экспериментальные данные, например, для антиферромагнитного фторида марганца на рис. 3. согласуются с этим. Рис.3. Дисперсионные кривые для ферромагнитных Со c Fe и FeO, и для антиферромагнитного MnF2, полученные из данных рассеяния нейтронов Дисперсионные кривые

6 Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела В ФМ полный, суммарный для всех магнитных ионов магнитный момент прецессирует вокруг внешнего магнитного поля. И энергия внешнего переменного магнитного поля, приложенного в поперечном направлении, будет сильно поглощаться, когда его частота окажется равной частоте прецессии. Это явление можно описывать при помощи представления о квантовании макроскопического вектора полного спина S (ФМ) в постоянном магнитном поле, считая, что расстояния между энергетическими уровнями такой системы отвечает обычным зеемановским частотам. Как и в ЭПР действуют те же правила отбора для магнитного квантового числа Δms = ±1, которые разрешают переходы только между соседними уровнями. Между малыми изменениями полного спина даже при комнатных температурах наблюдаются резонансные переходы при поглощении квантов СВЧ электромагнитного излучения. Т.е. подобно сверхпроводникам в ФМР проявляются квантовые эффекты в макроскопическом масштабе, но при больших температурах. Типичные ФМ обладают большой спонтанной намагниченностью (~103Гс), поэтому магнитное резонансное поглощение в них особенно велико. Оно пропорционально магнитной восприимчивости и поэтому на 3 порядка больше, чем в парамагнитных веществах. Важной особенностью ФМР резонанса является то, что в ФМ существуют сильные внутренние поля магнитной анизотропии, обусловленные обменным взаимодействием между электронами, участвующими в спонтанном магнитном моменте и кристаллическим полем. Наряду с кристаллографической анизотропией ФМР существует ещё и анизотропия, связанная с формой образца, т.к. собственное магнитное поле образца ФМ оказывается сравнимым по величине с внешним полем. Отличия ЭПР и ФМР

7 Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела 1. Поперечные компоненты магнитной восприимчивости χ и χ очень велики, поскольку намагниченность ФМ в данном статическом магнитном поле во много раз больше намагниченности электронных парамагнетиков и, тем более, ядерных парамагнетиков в том же поле; 2. Огромную роль играет форма образца, собственное поле, которое сравнимо с внешним полем, спектр ФМР сильно зависит от размагничивающих полей, так называемых размагничивающих факторов; 3. Сильная обменная связь между ФМ электронами может подавлять взаимодействие спинов с колебаниями кристаллической решётки (спин-решёточное взаимодействие), что способствует сужению линий ФМР. При благоприятных условиях, как, например, в ферритах-гранатах, линии ФМР могут быть очень острыми (<1 Гс); 4. По той же причине ослабленного спин-решёточного взаимодействия эффекты насыщения ФМР обнаруживаются при относительно низких уровнях внешнего возбуждающего электромагнитного поля; 5. Система спинов ФМ весьма устойчива, ею невозможно управлять как в парамагнетике. Намагниченность Мz нельзя довести до 0, изменить на противоположное направление; 6. ФМР возбуждение распадается на отдельные спин-волновые моды до того как вектор намагниченности сможет заметно отклониться от своего исходного направления. Особенности ФМР

8 Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Рассмотрим простейший 2-подрешёточный АФМ с анизотропией типа лёгкая ось. Внешнее поле H 0 параллельно намагниченности подрешёток (продольный АФМ резонанс), возбуждающее поле направлено перпендикулярно оси лёгкого намагничивания. Будем считать, что внешнее поле H 0

9 Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Магнито-упорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества - носителей магнетизма ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом в отсутствии магнитного поля равна 0. Этим АФМ отличается от ФМ, при котором одинаковая ориентация всех атомных магнитных моментов приводит к высокой намагниченности тела. АФМ упорядочение характеризуется тем, что средний магнитный моменты всех (или большей части) ближайших соседей любого иона направлены на­встречу его собственному магнитному моменту. Для этого обменное взаимодействие должно быть - (при ФМ обменное взаимодействие + и все магнитные моменты направлены в одну сторону). В каждом АФМ устанавливается определенный порядок чередования магнитных моментов. Порядок чередования магнитных моментов вместе с их направлением относительно кристаллографических осей определяет АФМ структуру вещества (изучают методами нейтронографии). Cтруктура: система вставленных друг в друга пространственных решёток магнитных ионов (подрешёток магнитных), в узлах каждой из которых находятся параллельные друг другу магнитные моменты. В АФМ подрешётка состоит из магнитных ионов одного сорта. Суммарные магнитные моменты подрешёток компенсируются, поэтому АФМ в отсутствии внешнего поля не имеет результирующего магнитного момента. Под действием внешнего магнитного поля АФМ подобно парамагнетикам приобретают слабую намагничен­ность. За создание АФМ порядка и определенную ориентацию магнитного моментов ионов относительно кристаллографических осей ответственны: за порядок - силы обменного взаимодействия (электрической природы), за ори­ентацию - силы магнитной анизот­ропии. В АФМ обменные силы стремятся установить каждую пару соседних магнитных моментов строго антипараллельно. Но они не могут предопределить направление магнитных моментов подрешё­ток относительно кристаллографических осей. Направление магнитных моментов в кристалле называют осью АФМ или по аналогии с ФМ - осью лёгкого намагничивания и определяется силами магнитной анизотропии. При теоретическом описании АФМ вводят 2 эффективных магнитных поля: обменное H E и анизотропии H A. Представление о том, что в АФМ действуют 2 эффективных магнитных поля, позволяет объяснить многие свойства, поведение АФМ в переменных внешних магнитных полях