Ферромагнетики — это вещества, способные сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле и сохранять свою намагниченность в его отсутствии. В отличие от диа- и парамагнетиков, ферромагнетизм присущ только твердым веществам, в кристаллическую решетку которых входят атомы с недостроенными d или f оболочками. К веществам с подобной конфигурацией относят переходные металлы (железо Fe, никель Ni, кобальт Co и т.п.) и их сплавы, а также редкоземельные металлы (гадолиний Gd, гольмий Ho, диспрозий Dy и т.п.). Доменная структура ферромагнетиков определяет их уникальные свойства. Магнитный домен – это микрообласть спонтанного намагничивания. В пределах домена магнитные моменты атомов сонаправлены.
Процесс экспериментального изучения свойств ферромагнетиков и последующее построение теории ферромагнетизма неразрывно связаны с историей развития физики в целом и с зарождением квантовой физики в частности. Именно поэтому целью работы предполагается ретроспективный анализ развития представлений о природе ферромагнетизма.
Рассмотрим основные свойства ферромагнетиков, которые были установлены экспериментально.
1. Нелинейный вид зависимости намагниченности J ферромагнетика от напряженности магнитного поля H и достижение насыщения J (рис. 1). При многократном увеличении данной кривой можно заметить ее неоднородность. Этот эффект впервые был обнаружен Г. Баркгаузеном в 1919 г.
Рис. 1. Зависимость намагниченности J от напряженности магнитного поля H
2. Нелинейная зависимость магнитной проницаемости μ ферромагнетика от величины напряженности Н магнитного поля, приложенного к веществу (рис. 2). В 1872 – 1878 гг. А.Г. Столетов исследовал намагничивание колец из разных сортов железа. Он обнаружил, что магнитная проницаемость для каждого из них в зависимости от приложенного поля сначала росла, а после достижения некоторого предельного значения резко уменьшалась. На основе этого ряда экспериментов им была построена зависимость относительной магнитной проницаемости μ от Н, названная впоследствии кривой Столетова. Так, например, для стали максимальное значение μ = 100, а для сплава метгласа (англ. Metglas) значение μ может достигать 106.
Рис. 2. Зависимость относительной магнитной проницаемости μ от напряженности Н магнитного поля (кривая Столетова)
3. Наличие остаточной намагниченности. Обусловлено ее существование тем, что даже в отсутствие приложенного магнитного поля некоторые домены остаются ориентированы по полю, ранее вызвавшему их поворот. Отсюда вытекает еще одно свойство ферромагнетика – существование коэрцитивной силы Нс, т. е. величины магнитного поля Н, которое нужно приложить для полного размагничивания вещества. Наглядно эти две величины можно представить на графике зависимости магнитной индукции В ферромагнитного образца от величины приложенного магнитного поля Н при перемагничивании образца (рис. 3). Данная кривая, называемая также петлей гистерезиса, впервые была получена Э. Варбургом в 1880 г.
Рис. 3. Петля гистерезиса. Bmax - максимальная магнитная индукция, Нmax - напряженность магнитного поля при насыщении
4. Наличие температуры – точки Кюри, при переходе через которую ферромагнетик становится парамагнетиком, то есть испытывает фазовый переход второго рода. Закон был установлен П. Кюри и П. Вейссом в 1907 году. В пределах каждого отдельно взятого домена ферромагнетика намагниченность обращается в ноль вследствие дезориентирующего теплового движения молекул. Это свойство является ярким подтверждением того, что ферромагнетизм присущ только веществам в твердом кристаллическом состоянии и зависит от кристаллической структуры, которая может изменяться при различных воздействиях.
Вначале ХХ века были предприняты попытки построения первой количественной теории ферромагнетизма. В 1907 году П. Вейсс выдвинул гипотезу о том, что внутри объёма ферромагнетиков находятся микрообласти, спонтанно намагниченные до насыщения и ориентированные различным образом [Киттель : 456]. Он также предположил, что атомы ферромагнетиков, как и атомы парамагнетиков, обладают магнитными моментами и взаимодействуют между собой с силами, зависящими от угла между этими моментами. Данные силы стремятся установить магнитные моменты соседних атомов параллельно друг другу. Согласно этой теории силы взаимодействия между атомами формально сводятся к некоторому «эффективному» магнитному полю, которое и ориентирует атомы ферромагнетика. Это «эффективное» поле складывается из внешнего магнитного поля некоторого гипотетического «молекулярного» поля магнитной природы [Тамм : 324]. Вейссу в рамках своей теории удалось объяснить некоторые свойства ферромагнетиков, например, спонтанную намагниченность ферромагнетика и существование температуры Кюри.
В дальнейшем проверка теории Вейсса показала, что ферромагнетизм не может быть объяснен только магнитным взаимодействием атомов. А опыт, поставленный в 1927 г. Я.Г. Дофманом, доказал, что молекулярное поле, ориентирующее атомы ферромагнетика, не может быть магнитной природы.
В 1915 году при исследовании гиромагнитных явлений А. Эйнштейн и В. де Гааз поставили следующий опыт. Свободно подвешенный на тончайшей кварцевой нити железный стержень вращался при его намагничивании в магнитном поле соленоида, внутрь которого он был помещен. Угол поворота стержня определялся при помощи специальной шкалы и падающего на нее светового «зайчика» от зеркала, закрепленного на нити. По известным параметрам установки и фиксируемому углу поворота рассчитывался момент импульса стержня L и его намагниченность J. В ходе данного эксперимента было получено значение гиромагнитного отношения (через отношение J к L), которое оказалось в два раза больше теоретического, т.е. гиромагнитного отношения для орбитального движения электрона [Тамм : 319].
Объяснить расхождение теории с экспериментом удалось О. Штерну и В. Герлаху. В 1922 году они исследовали прохождение пучка атомов серебра сквозь неоднородное магнитном поле. Пучок расщепился на два потока, отклонившихся от изначального направления на равные расстояния в противоположные стороны [Мартинсон : 299]. Таким образом, опыт привел к появлению гипотезы о наличии у электрона собственного механического момента – спина, имеющего квантовую природу. Наличие у электрона именно этой характеристики позволило выяснить причину различия результатов эксперимента Эйнштейна – де Гааза и теоретического значения гиромагнитного отношения, а именно то, что ферромагнетизм обусловлен наличием у атома спинового магнитного момента.
Становление теории ферромагнетизма неразрывно связано с зарождением и развитием квантовой физики. Оказывается, что ферромагнитные свойства проявляются лишь у кристаллических тел, в которых возникают обменные силы, имеющие квантовую природу. Впервые идея об обменном взаимодействии была высказана в 1928 г. Я.И. Френкелем и В. Гейзенбергом (независимо друг от друга) для объяснения физической природы молекулярного поля Вейсса. Обменные силы действуют на расстояниях порядка атомных. Под их действием и при определенных условиях, относящихся к электронному строению атомов, структуре кристаллической решетки и т. п., спиновые магнитные моменты электронов располагаются в одном направлении параллельно друг другу, так как данное состояние характеризуется минимумом полной энергии системы [Ландау : 285]. Образцу в целом быть намагниченным энергетически невыгодно и поэтому он разбивается на микрообласти спонтанного намагничивания – домены.
Реальность существования доменов была впервые подтверждена в опыте Баркгаузена (1919 г.). Сущность эксперимента состояла в том, чтобы зафиксировать скачкообразное изменение намагниченности образца, помещенного в непрерывно увеличивающееся магнитное поле, которое происходило из-за неоднородного смещения границ доменов. Возникавшие благодаря этому импульсы тока вызывали шум и отдельные щелчки, регистрировавшиеся телефоном. В 1932 году благодаря методу порошковых фигур (концентрация магнитного порошка вдоль стенок доменов) данные области ферромагнетика даже удалось пронаблюдать [Кандаурова : 34]; [Киттель : 511]. На рис. 4 при помощи метода порошковых фигур показан процесс ориентации доменов по полю.
Рис. 4. Доменная структура на одном и том же участке магнитоодноосного массивного кристалла в исходном состоянии и после намагничивания до насыщения в направлениях, указанных стрелками [Кандаурова : 38]
Благодаря квантовой теории можно также объяснить наличие точки Кюри. В 1937 г. Л.Д. Ландау показал, что фазовые переходы второго рода связаны с изменением симметрии системы. Ферромагнетики с температурой выше температуры перехода, как правило, обладают более высокой симметрией. В магнетике спиновые моменты выше точки Кюри ориентированы хаотически, и одновременное вращение всех спинов вокруг одной оси на одинаковый угол не изменяет свойств системы. Ниже точки перехода спины имеют некоторую преимущественную ориентацию, и одновременный их поворот меняет направление магнитного момента системы [Дубнищева : 306].
Таким образом, в данной работе был проведен ретроспективный анализ развития теории ферромагнетизма. Он возможен только в рамках квантовой физики и на сегодняшний день не является полностью завершенным. Однако с развитием экспериментальных методов изучения строения вещества расширяются и возможности изучения доменной структуры. Например, метод лоренцовской электронной микроскопии позволяет наблюдать домены в тонких магнитных пленках.
Ферромагнетики активно применяются в различных областях науки и техники, особенно в микро- и наноэлектронике. Продолжается создание и изучение новых ферромагнитных материалов, например, ферромагнитных пленок, на основе которых производятся запоминающие и логические устройства [Магнитные материалы : 71]. Опыт создания твердотельной памяти на основе ферромагнетиков показал, что благодаря им можно значительно снизить энергопотребление. Именно поэтому ферромагнетизм, индуцируемый в «немагнитных» материалах, можно по праву назвать одним из приоритетных направлений дальнейших исследований [Jeff : 2].
Список литературы
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Москва: Академия, 2008. 608 с.
Кандаурова Г.С. Хаос, порядок и красота в мире магнитных доменов // Известия Уральского федерального университета. 1997. № 5. Вып. 1. С. 31-52. URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/23504/1/iurp-1997-05-06.pdf (дата обращения 02.04.2023).
Киттель К. Физическая теория доменной структуры ферромагнетиков // Успехи физических наук. 1950. Т. 41, вып. 4. С. 452–544.
Ландау Л.Д. Курс теоретической физики / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. 6-е изд., испр. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2004. Т. 3: Квантовая механика (нерелятивистская теория). 800 с.
Магнитные материалы микро- и наноэлектроники / А.Л. Семенов, А.А. Гаврилюк, Н.К. Душутин, Ю.В. Ясюкевич. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2012. 147 с.
Мартинсон Л.К. Квантовая физика / Л.К. Мартинсон, Е.В. Смирнов. Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. Т. 5: Физика в техническом университете. 390 с.
Тамм И.Е. Основы теории электричества. Москва: Наука, 1966. 624 с.
Jeff W. Voltage-induced ferromagnetism in a diamagnet. New York: Science Advances, 2020. Vol. 6 (31). DOI: 10.1126/sciadv.abb7721.