Р А З Д Е Л 2
ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В АНТИФЕРРОМАГНЕТИКАХ
ТИПА ФТОРИДА МАРГАНЦА
2.1 Особенности фазовых переходов в тетрагональных антиферромагнетиках в магнитном поле, параллельном легкой оси
Согласно указанной теоретической работе [22] угловая фаза, свойственная тетрагональным антиферромагнетикам, существует при сверхслабом взаимодействии Дзялошинского (ВД), а в эксперименте [23, 24] наоборот, угловая фаза обнаружена в антиферромагнитном фториде кобальта, которому свойственно сильное ВД. Поэтому возникла необходимость в более подробном изучении [25] фазовых переходов, индуцированных магнитным полем в тетрагональных антиферромагнетиках, которые и в настоящее время интенсивно исследуются (см., например, [26-36]). Это важно и по той причине, что изучение особенностей физических свойств магнитной подсистемы антиферромагнетиков с учетом взаимодействия Дзялошинского все еще представляет большие трудности и по сегодняшний день.
Еще в 1956 г. Боровик-Романов и Орлова для объяснения природы слабого ферромагнетизма, обнаруженного ими в карбонатах марганца и кобальта (MnCO3 и CoCo3), предложили модель антиферромагнетика, согласно которой направления намагниченностей M1 и M2 магнитных решеток не строго антипараллельны, а повернуты на небольшой угол относительно друг друга. Дзялошинский дал обоснование такого магнитного состояния с точки зрения теории симметрии магнитных кристаллов. Он показал, что слабый ферромагнетизм ромбоэдрических кристаллов со структурами MnCO3 и ?-Fe2O3 (гематит), а также тетрагональных кристаллов, связанных со спецификой их кристалломагнитной структуры. Малость спонтанного момента обусловлена тем, что он появляется как результат возмущающегося действия магнитных анизотропных сил (т.е. сил релятивистского происхождения).
Дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования привели к выводу, что слабый ферромагнетизм представляет собой весьма распространенное явление.
Благодаря магнитно-анизотропной природе слабого ферромагнетизма магнитные свойства слабых ферромагнетиков носят ярко выраженный анизотропный характер. Как правило, слабоферромагнитный кристалл проявляет наличие спонтанной намагниченности лишь вдоль определенных кристаллографических направлений, сохраняя свойства обычного антиферромагнетика при намагничивании его в других направлениях. По этой же причине явление слабого ферромагнетизма может проявляться различным образом в кристаллах различной симметрии (и даже при одной и той же кристаллографической симметрии, но для разных типов антиферромагнитного упорядочения).
Все указанное относится к антиферромагнетикам, которые принято называть антиферромагнетиками с магнитной анизотропией "легкая плоскость". Впоследствии выяснилось, что взаимодействие Дзялошинского влияет на физические свойства не только антиферромагнетиков типа "легкая плоскость", но и типа "легкая ось". Так, в легкоосных антиферромагнетиках с взаимодействием Дзялошинского , характерным для кристалла ?-Fe2O3, наряду с известным опрокидыванием подрешеток (spin-flop переходом) в магнитном поле, параллельном EMA, имеется новый фазовый переход, связанный с исчезновением z-компоненты вектора антиферромагнетизма под влиянием внешнего магнитного поля, находящегося в базисной плоскости кристалла ().
Для определения состояний антиферромагнетиков с учетом ВД применялись различные методы. Так, используя уравнения Ландау-Лифшица в виде
Ожогиным и Шапиро для статического случая (m=0, l=0) были получены следующие уравнения относительно шести переменных и :
Полученные уравнения позволили определить границу фаз с и в плоскости (Hx, Hz).
Еще большие трудности вызвало изучение легкоосных тетрагональных антиферромагнетиков, которым свойственно ВД, создающее анизотропию в базисной плоскости. Так несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических исследований магнитных свойств антиферромагнетика MnF2 , до сих пор нет не только экспериментального определения величины поля Дзялошинского d в этом кристалле, но и однозначного экспериментального доказательства существования или отсутствия поля d в MnF2, хотя теоретическое предсказание было сделано давно. Причиной этого является относительно малая величина поля d (поле Дзялошинского значительно меньше поля анизотропии). Поскольку, экспериментальное обнаружение фазового перехода, существующего благодаря взаимодействию Дзялошинского, вектора антиферромагнетизма l в базисную плоскость под влиянием магнитного поля, перпендикулярного easy magnetization-axis (EMA) , затруднительно в АФМ MnF2 из-за большой величины поля фазового перехода (H ? HE = 0,5 · 106 э), то в работе [27] в окрестности spin-flop перехода были построены такие магнитные фазовые диаграммы, экспериментальное изучение которых могло бы дать возможность однозначного решения существующей проблемы.
Поскольку в MnF2 магнитная анизотропия в базисной плоскости, обусловленная как обменно-усиленной анизотропией четвертого порядка , так и взаимодействием Дзялошинского является слабой, то для стабилизации ориентации вектора антиферромагнетизма в базисной плоскости было использовано одноосное сжатие вдоль оси X. Тем не менее проблема определения состояний легкоосных тетрагональных антиферромагнетиков даже в магнитном поле при различных значениях параметра Дзялошинского остается не решенной.
Для решения этой проблемы воспользуемся гамильтонианом, который целесообразно записать в виде
H, (2.1)
где ,,
(E - параметр обменного взаимодействия, b, a, f - параметры анизотропии, d - параметр Дзялошинского).
Минимизация гамильтониана (2.1) при H=0 дает следующие три типа [21] состояний:
I sin ? = 0, m = 0, если b < 0 ,
II1 cos ? = 0, sin 2? = 0, , если b > 0, ,
II2 cos ? = 0, cos 2?=0, m=0, если b > 0, .
Состояние I, в котором вектор l||ЕМА||OZ является антиферромагнитным, а состояние II1 и II2, в которых вектор , называют слабоферромагнитными.