Fisica: Determinazione della temperatura della transizione di fase ferromagnetica-paramagnetica, Attività di laboratorio. Determinazione della temperatura di transizione di fase ferromagnetico-paramagnetica Transizione di fase ferromagnetico-paramagnetica

IZVESTIYA RAS. SERIE FISICA, 2015, volume 79, n° 8, pag. 1128-1130

UDC 537.622:538.955

STUDI SULLE TRANSIZIONI DI FASE

FERROMAGNETICI-PARAMAGNETICI IN FILM SOTTILI FePt1- xRhx FASE L10

Film di FePtRh con diversi contenuti di Rh (FePtj _ xRhx) sono stati ottenuti mediante sputtering con magnetron. La struttura magnetica e la transizione di fase ferromagnetica-paramagnetica nei film sottili di FePtj _xRhx fase L10 sono state studiate in base al contenuto di Rh (0< х < 0.40) в образце. Показано, что при комнатной температуре тонкие пленки FePti _ xRhx при 0 < х < 0.34 находятся в ферромагнитном состоянии с большой энергией магнитокристаллической анизотропии, тогда как при 0.34 < х < 0.4 - в парамагнитном состоянии.

DOI: 10.7868/S0367676515080335

INTRODUZIONE

Molti studi sui materiali magnetici legati alla creazione di film sottili mirano ad aumentare la densità della registrazione magnetica delle informazioni. Di norma, un aumento della densità di registrazione si ottiene riducendo al minimo la dimensione dei grani - portatori di informazioni nella pellicola magnetica e passando da un tipo di registrazione longitudinale a uno perpendicolare. Tuttavia, la riduzione della dimensione dei granuli è limitata dalla comparsa di un effetto superparamagnetico, che impedisce un aumento della densità di registrazione magnetica. Un'altra limitazione all'aumento della densità di registrazione è l'interazione di scambio tra le perle. Per superare queste limitazioni vengono utilizzati vari metodi, uno dei quali è l'utilizzo di un supporto di memorizzazione strutturato. In un mezzo magnetico convenzionale, lo strato di registrazione è costituito da grani di una lega ferromagnetica disposti in modo casuale. Nel caso di un supporto informativo strutturato, nella pellicola si creano granuli ferromagnetici o nanopunti della stessa dimensione, disposti in modo ordinato in una matrice non magnetica. In questo caso, ciascuno dei punti funge da informazione.

1 Istituto educativo autonomo dello Stato federale di istruzione professionale superiore Università federale di Kazan (regione del Volga).

2 Istituto di bilancio dello Stato federale per le scienze Istituto fisico-tecnico intitolato ad A.F. Accademia Russa delle Scienze Ioffe, San Pietroburgo.

3 Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università di Akita

versity, 1-1 Gakuen-machi, Tegata, Akita 010-8502, Giappone.

Nell'ultimo decennio di film BeR! Le fasi Li0 attirano l'attenzione dei ricercatori perché hanno un'elevata energia di anisotropia magnetocristallina (Ku ~ 7 107 erg cm-3), che rende il loro uso promettente come portatori di informazioni strutturate. Inoltre, per la registrazione magnetica ad altissima densità (UHDM), l'asse di facile magnetizzazione (asse c) in essi deve essere orientato lungo la normale al piano della pellicola.

È noto che il controllo delle proprietà magnetiche dei film BeP! magari introducendovi elementi aggiuntivi. Aggiunta di rodio (RH) alla lega BeR! consente di ottimizzare le proprietà magnetiche dei film sottili senza ridurre significativamente l'energia dell'anisotropia magnetocristallina, il che consente l'uso di questa composizione come vettore strutturato di informazioni.

In questo lavoro sono state studiate la struttura magnetica e la transizione di fase ferromagnetica-paramagnetica nei film sottili della fase FeF1 L10 in base al contenuto di NR (0< х < 0.40) в образце.

1. ESPERIMENTO

Film sottili di FeP1 sono stati ottenuti mediante sputtering con magnetron su un substrato monocristallino di Mg0 (100). Lo spessore dei film sintetizzati era di 20 nm (Fig. 1). Le proprietà magnetiche sono state misurate a 300 K utilizzando un interferometro quantistico superconduttore

RICERCA SULLA TRANSIZIONE DI FASE FERROMAGNETICA-PARAMAGNETICA

Fe^Pt! - xRhx)5()

Substrato di Mg0(100).

20 nm 0,5 mm

Riso. 1. Rappresentazione schematica di campioni sottili

(SQUID) e un magnetometro vibrante. La struttura magnetica dei film sintetizzati, vale a dire l'orientamento della magnetizzazione rimanente, è stata studiata utilizzando la spettroscopia Mössbauer di conversione elettronica (CEMS). Le misurazioni Mössbauer sono state effettuate su uno spettrometro in cui una sorgente di raggi gamma 57Co in una matrice Rh si muoveva con accelerazione costante. Per registrare gli elettroni di conversione è stato utilizzato un rilevatore di elettroni riempito con una miscela di gas He + 5% CH4, nel quale è stato inserito il campione in esame. Durante la misurazione dell'effetto Mössbauer, la radiazione gamma proveniente dalla sorgente 57Co(Rh) è stata diretta perpendicolarmente alla superficie della pellicola in studio. La scala di velocità dello spettrometro è stata calibrata utilizzando un foglio di ferro alfa a temperatura ambiente e, per una maggiore precisione, la calibrazione è stata effettuata utilizzando un interferometro laser. L'entità degli spostamenti degli isomeri è stata determinata rispetto all'a-Fe metallico. L'elaborazione matematica degli spettri Mössbauer è stata effettuata utilizzando un programma speciale che ha permesso di determinare le posizioni, le ampiezze e le larghezze delle linee spettrali dagli spettri Mössbauer sperimentali. Inoltre, sulla base dei dati ottenuti, sono stati calcolati i campi magnetici efficaci sui nuclei degli ioni ferro (Hhf), le divisioni del quadrupolo (QS) e gli spostamenti chimici (CS).

2. RISULTATI E LORO DISCUSSIONE

Nella fig. La Figura 2 mostra gli spettri FEM dei campioni FePt1-xRhx studiati. Nello spettro di FePtx_xRhx a x = 0, sono assenti la 2a e la 5a linea di divisione di Zeeman in un campo iperfine, il che indica l'orientamento dei momenti magnetici perpendicolare alla superficie del film. Questo tipo di orientamento del campo magnetico efficace ci permette di concludere che l'asse facile dell'anisotropia magnetico-cristallina è perpendicolare alla superficie del film. Sottrazione di linee

x = 0,30 ■ .. .-w^

6 -4 -2 0 2 4 6 Velocità, mm ■ s-1

Riso. 2. Spettri Mössbauer di FePtj _ film sottili

La suddivisione di Zeeman dallo spettro del FeP1 mostra che nella regione delle velocità “zero” non ci sono linee appartenenti agli ioni ferro nella fase paramagnetica, ciò significa che tutti gli ioni Fe nel campione sono in uno stato magneticamente ordinato.

Con un aumento della concentrazione di NR nella composizione dei film FeP^xRNRx, si osserva una graduale diminuzione dei campi magnetici efficaci e a x = 0,4 le linee di divisione Zeeman “collassano” in una singoletta. Questo cambiamento negli spettri dei campioni all'aumentare della concentrazione di radiazione nucleare è dovuto alla transizione del sistema FeP1Ri dallo stato ferromagnetico allo stato paramagnetico a temperatura ambiente delle misurazioni. Questa transizione avviene a causa della sostituzione degli ioni P con ioni rodio e dell'emergere di cluster paramagnetici. Con l'aumentare della concentrazione della radiazione nucleare, il numero di questi cluster aumenta, portando infine alla transizione finale del campione allo stato paramagnetico (Fig. 3). I dati degli spettri FEM sono confermati dai risultati degli studi sulla magnetizzazione di saturazione (M) forniti

film FePtt _ xRhx.

VALIULLIN et al.

Fase paramagnetica

Fase ferromagnetica

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Signorina, erg ■ Gs 1500

Riso. 3. Il contenuto relativo della fase ferromagnetica (determinato dalle aree relative dei sottospettri Mössbauer delle fasi ferromagnetica e paramagnetica) a seconda della concentrazione della radiazione nucleare in film sottili di Fe50(P1:1 _ xKIx)50.

mi in fig. 4. La figura mostra che all'aumentare di x si osserva una diminuzione monotona di M.

Utilizzando il metodo magnetron sputtering, sono stati ottenuti film FePIR spessi 20 nm con diversi contenuti di NR (FeP^ _ xRbx), dove x varia da 0 a 0,4. È stato stabilito che a x = 0 il film è ferromagnetico a temperatura ambiente e l'asse facile dell'anisotropia magnetocristallina è diretto perpendicolare alla superficie del film. L'ordinamento ferromagnetico in FeP^ xRiH a temperatura ambiente è preservato nell'intervallo del contenuto di rodio x< 0.32 с сохранением большой энергией магнитокристаллической анизотропии и обусловленной ею перпендикулярной ориентацией намагниченности. В изученном интервале 0.34 < х < 0.4 пленка БеР^ _ хКЬх находится в парамагнитном состоянии. Намагниченность насыщения для 0 < х < 0.32 находится в интервале 1000 >M > 500 erg ■ Gs-1 ■ cm-3.

Il lavoro è stato svolto con il sostegno finanziario della Fondazione russa per la ricerca di base (sovvenzione n. 14-02-91151) e con parziale

J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I

Riso. 4. Magnetizzazione di saturazione (Ma) misurata ad una temperatura di 300 K in film sottili di Fe50(P111 _ xRAIx)50 a seconda della concentrazione di RR.

sostegno al Programma per il miglioramento della competitività dell'Università Federale di Kazan, finanziato dal Ministero dell'Istruzione e della Scienza della Federazione Russa.

BIBLIOGRAFIA

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KARAMAN I., KIREEVA I.V., KRETININA I.V., KUSTOV S.B., PICORNELL K., POBEDERENNAYA Z.V., PONS J., CESARI E., CHUMLYAKOV Y.I. - 2010

Introduzione Lo studio dei sistemi costituiti da un gran numero di particelle interagenti è uno dei problemi più importanti della fisica moderna. Il più interessante è il comportamento termodinamico delle sostanze quando si verifica un certo tipo di ordinamento. Questo ordinamento avviene ad una certa temperatura e la transizione avviene in un intervallo di temperature estremamente ristretto ed è chiamata transizione di fase (la transizione di una sostanza da una fase all'altra). Le transizioni di fase associate all'ordinamento si verificano in vari sistemi fisici: leghe binarie , ferromagneti e antiferromagneti, nei momenti di dipolo nella ferroelettricità, negli elettroni nei superconduttori, nell'elio allo stato superfluido, ecc. 2

Classificazione Di particolare interesse nel comportamento dei sistemi macroscopici (termodinamici) sono i punti di transizione di fase, poiché in essi le proprietà del sistema cambiano bruscamente. Ci sono due opzioni: il primo caso – separazione di fase – è una transizione di fase del primo ordine. Poiché l'emergere di una nuova fase porta alla comparsa di energia superficiale, i nuclei di piccolo volume sono energeticamente sfavorevoli, mentre quelli sufficientemente grandi possono formarsi solo a causa di fluttuazioni. Esempi di questo tipo di transizione sono la separazione di fase (vapore - liquido, liquido - solido, vapore - solido), nel secondo caso la comparsa di nuove proprietà non è associata all'energia superficiale. Tali transizioni di fase sono chiamate transizioni di fase del secondo ordine; di solito sono accompagnate da un cambiamento nella simmetria dello stato. Esempi di questo tipo di transizioni: riarrangiamenti strutturali nei cristalli ad una certa temperatura; transizioni ordine-disordine nelle leghe; transizioni ferromagnetiche-paramagnetiche nei sistemi di spin e nei metalli e leghe ferromagnetiche; comparsa di superconduttività e superfluidità 3

Parametro d'ordine Per ogni transizione di fase esiste il concetto di parametro d'ordine, il cui valore medio diverso da zero nella fase ordinata rompe la simmetria di un ferromagnete.Il parametro d'ordine è la magnetizzazione media. La temperatura limite alla quale la simmetria viene rotta spontaneamente e alla quale il parametro d'ordine diventa zero è chiamata temperatura critica 4

Parametro d'ordine Se il parametro d'ordine svanisce dolcemente a T=T c (ma con una derivata infinita a causa delle fluttuazioni), allora questa è una transizione di fase del secondo ordine. Se la dipendenza del parametro d'ordine vicino alla regione di transizione di fase è ambigua, allora la separazione di fase è necessariamente osservata nel sistema , e questa è una transizione del primo ordine.La teoria delle transizioni di fase si basa sull'idea di un campo ordinatore derivante dall'interazione delle particelle. La teoria è più semplice se si assume che questo campo sia uguale al campo medio 5

Momento magnetico La ragione delle proprietà magnetiche delle sostanze è il momento magnetico legato all'elettrone o al sito reticolare in cui è localizzato l'elettrone, che di solito si verifica quando l'elettrone si muove lungo traiettorie chiuse. sono accettate le proprietà: 1) materiali paramagnetici: >1 campo magnetico si intensifica all'interno; 2) materiali diamagnetici: 1 il campo magnetico all'interno è rafforzato; 2) materiali diamagnetici: ">

Approssimazione di Weiss Lasciamo che i momenti magnetici interagiscano tra loro: Campo che agisce su un momento magnetico selezionato: Campo effettivo: L'approssimazione del campo molecolare di Weiss consiste nell'assumere che il vero campo totale al nodo i-esimo coincide con il campo medio e non dipende da l'orientamento dell'i-esimo dorso 9

Interazione di scambio L'interazione tra i momenti magnetici è di natura puramente quantistica - questa è la cosiddetta interazione di scambio. Per un insieme di particelle quantistiche identiche deve essere soddisfatto il principio di identità - devono essere indistinguibili a causa del principio di indeterminazione. Se ci sono solo due particelle, allora gli stati del sistema, ottenuti l'uno dall'altro semplicemente riorganizzando entrambe le particelle, devono essere fisicamente completamente equivalenti. Ciò significa che come risultato di tale riorganizzazione, la funzione d'onda del sistema può cambiare solo di un fattore di fase insignificante. Pertanto ci sono solo due possibilità: la funzione d’onda è o simmetrica (questa è la statistica di Bose) o antisimmetrica (questa è la statistica di Fermi) 11

Interazione di scambio Consideriamo ora due particelle isolate che hanno statistica quantistica e, in prima approssimazione, non interagiscono.La funzione d'onda completa del sistema: Al segno + corrispondono i bosoni, ed i fermioni –, realizzando situazioni simmetriche ed antisimmetriche. A sistema di elettroni localizzato nel campo del reticolo cristallino, tenendo conto della componente di spin: La situazione antisimmetrica - deve corrispondere ad una componente di spin simmetrica, e la situazione simmetrica + deve corrispondere ad una componente di spin antisimmetrica 12

Stima dell'integrale di scambio Nel caso di J 12 >0, è vantaggioso che gli spin si allineino in parallelo se J 12 È vantaggioso che 0 trottole si allineino parallele se J 12 "> 0 è vantaggioso che le trottole si allineino parallele se J 12 "> 0 è vantaggioso che le trottole si allineino parallele se J 12 " title="(!LANG :Valutazione dell'integrale di scambio Nel caso di giri J 12 >0 è vantaggioso si allineeranno in parallelo se J 12"> title="Stima dell'integrale di scambio Nel caso di J 12 >0, è vantaggioso che gli spin si allineino in parallelo se J 12"> !}

- materiali che interagiscono con un campo magnetico, espressi nel suo cambiamento, così come in altri fenomeni fisici - cambiamenti nelle dimensioni fisiche, temperatura, conduttività, comparsa di potenziale elettrico, ecc. In questo senso, quasi tutte le sostanze sono considerate magnetiche ( poiché quale di essi ha una suscettibilità magnetica che non è esattamente zero), la maggior parte di essi appartiene alle classi dei materiali diamagnetici (aventi una piccola suscettibilità magnetica negativa - e un certo indebolimento del campo magnetico) o materiali paramagnetici (aventi una piccola suscettibilità magnetica positiva - e potenziando in qualche modo il campo magnetico); I ferromagneti sono più rari (hanno una maggiore suscettibilità magnetica positiva - e aumentano notevolmente il campo magnetico), classi di sostanze ancora più rare in relazione all'azione di un campo magnetico su di essi.

Classificazione dei materiali magnetici e requisiti per essi
Le sostanze magnetiche, o magneti, sono sostanze che hanno proprietà magnetiche. Per proprietà magnetiche si intende la capacità di una sostanza di acquisire un momento magnetico, ad es. si magnetizzano se esposti a un campo magnetico. In questo senso, tutte le sostanze in natura sono magnetiche, poiché esposte a un campo magnetico acquisiscono un certo momento magnetico. Questo momento magnetico macroscopico risultante M è la somma dei momenti magnetici elementari mi - atomi di una data sostanza.

I momenti magnetici elementari possono essere indotti da un campo magnetico o esistere in una sostanza prima dell'applicazione di un campo magnetico; in quest'ultimo caso il campo magnetico ne determina l'orientamento preferenziale.
Le proprietà magnetiche di vari materiali sono spiegate dal movimento degli elettroni negli atomi e anche dal fatto che gli elettroni e gli atomi hanno momenti magnetici permanenti.
Il movimento rotatorio degli elettroni attorno ai nuclei atomici è simile all'azione di un certo circuito di corrente elettrica e crea un campo magnetico, che a una distanza sufficiente appare come il campo di un dipolo magnetico con un momento magnetico, il cui valore è determinato da il prodotto della corrente per l'area del circuito attorno al quale scorre la corrente. Il momento magnetico è una grandezza vettoriale ed è diretto dal polo sud verso nord. Questo momento magnetico è chiamato orbitale.

L'elettrone stesso ha un momento magnetico, chiamato momento magnetico di spin.
Un atomo è un sistema magnetico complesso, il cui momento magnetico è il risultato di tutti i momenti magnetici di elettroni, protoni e neutroni. Poiché i momenti magnetici dei protoni e dei neutroni sono significativamente più piccoli dei momenti magnetici degli elettroni, le proprietà magnetiche degli atomi sono essenzialmente determinate dai momenti magnetici degli elettroni. Nei materiali di importanza tecnica si tratta principalmente di momenti magnetici di spin.
Il momento magnetico risultante dell'atomo è determinato dalla somma vettoriale dei momenti magnetici orbitali e di spin dei singoli elettroni nel guscio elettronico degli atomi. Questi due tipi di momenti magnetici possono essere parzialmente o completamente compensati tra loro.

In base alle loro proprietà magnetiche, i materiali sono suddivisi nei seguenti gruppi:
a) diamagnetico (diamagneti),
b) paramagnetico (paramagnetico),
c) ferromagnetici (ferromagneti),
d) antiferromagnetici (antiferromagneti),
e) ferrimagnetici (ferrimagneti),
f) metamagnetico (metamagnetico).

A) Diamagneti
Il diamagnetismo si manifesta nella magnetizzazione di una sostanza verso la direzione del campo magnetico esterno che agisce su di essa.
Il diamagnetismo è caratteristico di tutte le sostanze. Quando un corpo viene introdotto in un campo magnetico, nel guscio elettronico di ciascuno dei suoi atomi, a causa della legge dell'induzione elettromagnetica, si formano correnti circolari indotte, cioè un ulteriore movimento circolare degli elettroni attorno alla direzione del campo magnetico. Queste correnti creano in ciascun atomo un momento magnetico indotto, diretto, secondo la regola di Lenz, verso il campo magnetico esterno (indipendentemente dal fatto che l'atomo inizialmente avesse o meno un proprio momento magnetico e da come fosse orientato). Nelle sostanze puramente diamagnetiche, i gusci elettronici degli atomi (molecole) non hanno un momento magnetico permanente. I momenti magnetici creati dai singoli elettroni in tali atomi sono reciprocamente compensati in assenza di un campo magnetico esterno. In particolare, ciò si verifica negli atomi, ioni e molecole con gusci elettronici completamente pieni, negli atomi di gas inerti, nelle molecole di idrogeno e azoto.

Un campione allungato di materiale diamagnetico in un campo magnetico uniforme è orientato perpendicolarmente alle linee di campo (vettore dell'intensità del campo). Viene espulso da un campo magnetico non uniforme nella direzione in cui l'intensità del campo diminuisce.

Il momento magnetico indotto I, acquisito da 1 mole di sostanza diamagnetica, è proporzionale all'intensità del campo esterno H, cioè I=χÍ. Il coefficiente χ è chiamato suscettività diamagnetica molare e ha segno negativo (poiché I e H sono diretti l'uno verso l'altro). Di solito il valore assoluto di χ è piccolo (~10-6), ad esempio, per 1 mole di elio χ = -1,9·10-6.

I diamagneti classici sono i cosiddetti gas inerti (He, Ne, Ar, Kr e Xe), i cui atomi hanno gusci elettronici esterni chiusi.

I diamagneti comprendono anche: gas inerti allo stato liquido e cristallino; composti contenenti ioni simili ad atomi di gas inerti (Li+, Be2+, Al3+, O2-, ecc.); alogeni allo stato gassoso, liquido e solido; alcuni metalli (Zn, Au, Hg, ecc.). I diamagneti, più precisamente i superdiamagneti, con χД = - (1/4) ≈ 0,1, sono superconduttori; in essi l'effetto diamagnetico (espulsione del campo magnetico esterno) è causato da correnti macroscopiche superficiali. I diamagneti comprendono un gran numero di sostanze organiche e per i composti poliatomici, soprattutto quelli ciclici (aromatici, ecc.), la suscettività magnetica è anisotropa (Tabella 6.1).

Tabella 6.1 - Suscettibilità diamagnetica di alcuni materiali

B) Paramagneti
Il paramagnetismo è la proprietà delle sostanze (paramagneti) di essere magnetizzate nella direzione di un campo magnetico esterno e, a differenza del ferro-, ferri- e antiferromagnetismo, il paramagnetismo non è associato a una struttura atomica magnetica e in assenza di un campo magnetico esterno campo, la magnetizzazione di un paramagnete è zero.

Il paramagnetismo è causato principalmente dall'orientamento, sotto l'influenza di un campo magnetico esterno H, dei momenti magnetici intrinseci µ delle particelle di una sostanza paramagnetica (atomi, ioni, molecole). La natura di questi momenti può essere associata al movimento orbitale degli elettroni, al loro spin e anche (in misura minore) allo spin dei nuclei atomici. A µH « kT, dove T è la temperatura assoluta, la magnetizzazione del paramagnetico M è proporzionale al campo esterno: M = χH, dove χ è la suscettibilità magnetica. A differenza del diamagnetismo, per il quale χ< 0, при парамагнетизме восприимчивость положительна; её типичная величина при комнатной температуре (Т ≈ 293 К) составляет 10-7 – 10-4.

Paramagnetico – un magnete con predominanza di paramagnetismo e assenza di ordine atomico magnetico. Il paramagnete è magnetizzato nella direzione del campo magnetico esterno, cioè ha una suscettibilità magnetica positiva, che in un campo debole a temperatura non molto bassa (cioè lontano dalle condizioni di saturazione magnetica) non dipende dall'intensità del campo. Poiché in un campo magnetico l'energia libera di un paramagnetico diminuisce, in presenza di un gradiente di campo viene attirato in una regione con un'intensità del campo magnetico maggiore. La competizione del diamagnetismo e l’emergere dell’ordine magnetico a lungo raggio o della superconduttività limitano la regione di esistenza della materia in uno stato paramagnetico.

Un materiale paramagnetico contiene almeno uno dei seguenti tipi di portatori paramagnetici.

A) Atomi, molecole o ioni con momenti magnetici non compensati nello stato fondamentale o stati eccitati con energia di eccitazione Ei<< kТ. Парамагнетики этого типа обладают ориентацией ланжевеновским парамагнетизмом, зависящим от температуры Т по Кюри закону или Кюри – Вейса закону, в них возможно магнитное упорядочение. [Похожий по проявлениям магнетизм неоднородных систем малых ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц (кластеров) в жидкостях или твердых матрицах выделен в особый вид – суперпарамагнетизм].

Questo tipo di trasportatore è presente in coppie di metalli di valenza dispari (Na, Tl); in un gas di molecole di O2 e NO; in alcune molecole organiche con radicali liberi; in sali, ossidi e altri composti dielettrici di elementi 3d, 4f e 5f; nella maggior parte dei metalli delle terre rare.

B) Le stesse particelle aventi un momento magnetico orbitale in uno stato eccitato con energia di eccitazione Ei<< kТ. Для таких парамагнетиков характерен не зависящий от температуры поляризационный парамагнетизм.

Questo tipo di portatori di paramagnetismo si manifesta in alcuni composti di elementi d ed f (sali Sm ed Eu, ecc.).

B) Elettroni collettivizzati in bande energetiche parzialmente riempite. Sono caratterizzati dal paramagnetismo dello spin Pauli, che dipende in modo relativamente debole dalla temperatura e, di regola, è potenziato dalle interazioni elettrone-elettrone. Nelle bande D, il paramagnetismo di spin è accompagnato da un notevole paramagnetismo di Van Vleck.

Questo tipo di trasportatori predomina nei metalli alcalini e alcalino terrosi, nei metalli D e nei loro composti intermetallici, negli attinidi, nonché nei sali organici ionici radicalici altamente conduttivi

Materiale P/S da wiki
Le sostanze paramagnetiche sono sostanze che vengono magnetizzate in un campo magnetico esterno nella direzione del campo magnetico esterno (JH) e hanno una suscettibilità magnetica positiva. I paramagneti appartengono a sostanze debolmente magnetiche; la permeabilità magnetica differisce leggermente dall'unità u > ~ 1.
Il termine “paramagnetismo” fu introdotto nel 1845 da Michael Faraday, che divise tutte le sostanze (eccetto ferromagnetiche) in dia- e paramagnetiche.
Gli atomi (molecole o ioni) di un materiale paramagnetico hanno i propri momenti magnetici che, sotto l'influenza di campi esterni, sono orientati lungo il campo e creano così un campo risultante che supera quello esterno. Le sostanze paramagnetiche vengono attratte da un campo magnetico. In assenza di un campo magnetico esterno, un materiale paramagnetico non è magnetizzato, poiché a causa del movimento termico i momenti magnetici intrinseci degli atomi sono orientati in modo del tutto casuale.
I materiali paramagnetici includono alluminio (Al), platino (Pt), molti altri metalli (metalli alcalini e alcalino terrosi, nonché leghe di questi metalli), ossigeno (O2), ossido di azoto (NO), ossido di manganese (MnO), ferro cloruro (FeCl3) e altri.
Le sostanze ferro- e antiferromagnetiche diventano paramagnetiche a temperature che superano, rispettivamente, la temperatura di Curie o Néel (la temperatura della transizione di fase allo stato paramagnetico).

B) Ferromagneti

Ferromagneti- sostanze (solitamente allo stato solido cristallino o amorfo) in cui, al di sotto di una certa temperatura critica (punto di Curie), si stabilisce un ordine ferromagnetico a lungo raggio nei momenti magnetici degli atomi o degli ioni (nei cristalli non metallici) o momenti di elettroni itineranti (nei cristalli metallici). In altre parole, un ferromagnete è una sostanza che (a una temperatura inferiore al punto di Curie) è capace di magnetizzarsi in assenza di un campo magnetico esterno.

Proprietà dei ferromagneti
1. La suscettibilità magnetica dei ferromagneti è positiva e significativamente maggiore dell'unità.
2. A temperature non troppo elevate, i ferromagneti hanno una magnetizzazione spontanea (spontanea), che cambia notevolmente sotto l'influenza di influenze esterne.
3. I ferromagneti sono caratterizzati dal fenomeno dell'isteresi.
4. I ferromagneti sono attratti da un magnete.

Le sostanze paramagnetiche includono sostanze in cui il momento magnetico di atomi o molecole è diverso da zero in assenza di un campo magnetico esterno:

Pertanto, i paramagneti, quando introdotti in un campo magnetico esterno, vengono magnetizzati nella direzione del campo. In assenza di un campo magnetico esterno, il paramagnete non è magnetizzato, poiché a causa del movimento termico tutti i momenti magnetici degli atomi sono orientati in modo casuale, e quindi la magnetizzazione è zero (Fig. 2.7 a). Quando una sostanza paramagnetica viene introdotta in un campo magnetico esterno, si stabilisce un orientamento preferenziale dei momenti magnetici degli atomi lungo il campo (Fig. 2.7 b). L'orientamento completo è impedito dal movimento termico degli atomi, che tende a disperdere i momenti. In conseguenza di questo orientamento preferenziale, il paramagnete si magnetizza, creando un proprio campo magnetico, che, sovrapposto a quello esterno, lo rafforza. Questo effetto è chiamato effetto paramagnetico o paramagnetismo.

Fig.2.7. Paramagnetico dentro

assenza di campo/i e in

campo magnetico esterno (b)

I materiali paramagnetici mostrano anche la precessione di Larmor e l'effetto diamagnetico, come in tutte le sostanze. Ma l'effetto diamagnetico è più debole di quello paramagnetico e ne viene soppresso, rimanendo invisibile. Per i paramagneti, anche χ è piccolo, ma positivo, dell'ordine di ~10 -7 –10 -4 , il che significa che μ è leggermente maggiore di uno.

Proprio come per i materiali diamagnetici, la dipendenza della suscettività magnetica dei materiali paramagnetici dal campo esterno è lineare ( Fig.5.8).

L'orientamento preferenziale dei momenti magnetici lungo il campo dipende dalla temperatura. All'aumentare della temperatura, aumenta il movimento termico degli atomi, quindi l'orientamento in una direzione diventa difficile e la magnetizzazione diminuisce. Il fisico francese P. Curie stabilì il seguente schema: dove C è la costante di Curie, a seconda del tipo di sostanza. La teoria classica del paramagnetismo fu sviluppata nel 1905 da P. Langevin.

2.10 Ferromagnetismo. Ferromagneti. Struttura dei domini dei ferromagneti.

.7. Ferromagnetismo. Ferromagneti. @

I ferromagneti sono sostanze solide cristalline che hanno magnetizzazione spontanea in assenza di un campo magnetico esterno. .Gli atomi (molecole) di tali sostanze hanno un momento magnetico diverso da zero. In assenza di un campo esterno, i momenti magnetici all'interno di grandi regioni sono orientati allo stesso modo (ne parleremo più avanti). A differenza dei dia- e paramagneti debolmente magnetici, i ferromagneti sono sostanze altamente magnetiche. Il loro campo magnetico interno può essere centinaia e migliaia di volte maggiore di quello esterno. Per i ferromagneti, χ e μ sono positivi e possono raggiungere valori molto grandi, dell'ordine di ~10 3 . Solo i ferromagneti possono essere magneti permanenti.

Perché i corpi ferromagnetici mostrano una magnetizzazione così forte? Perché il movimento termico in essi non interferisce con l'instaurazione dell'ordine nella disposizione dei momenti magnetici? Per rispondere a questa domanda, diamo un'occhiata ad alcune importanti proprietà dei ferromagneti.

Se rappresentiamo la curva di magnetizzazione principale nelle coordinate (B, H) (Fig. 2.10, curva 0-1), otterremo un'immagine leggermente diversa: da , quindi quando viene raggiunto il valore J us, l'induzione magnetica continua a crescere insieme alla crescita linearmente:

= μ 0 + cost, cost = μ 0 J us.

I ferromagneti sono caratterizzati dal fenomeno isteresi(dal greco isteresi – ritardo, ritardo).

Porteremo a saturazione la magnetizzazione del corpo, aumentando l'intensità del campo esterno (Fig. 2.10, punto 1), e poi diminuiremo H. In questo caso la dipendenza B(H) non segue la curva originaria 0-1 , ma la nuova curva 1-2. Quando la tensione scende a zero, la magnetizzazione della sostanza e l'induzione magnetica scompariranno. A Н=0, l'induzione magnetica ha un valore diverso da zero V ost, che viene chiamato induzione residua. La magnetizzazione J ost, corrispondente a B ost, viene chiamata magnetizzazione residua, e il ferromagnete acquisisce le proprietà di un magnete permanente. V ost e J ost diventano zero solo sotto l'influenza di un campo di direzione opposta a quella originaria. Viene chiamato il valore dell'intensità del campo H c al quale la magnetizzazione residua e l'induzione svaniscono forza coercitiva(dal latino coercitio - ritenzione). Continuando ad agire sul ferromagnete con campo magnetico alternato, otteniamo la curva 1-2-3-4-1, detta ciclo di isteresi. In questo caso, la reazione del corpo (B o J) sembra ritardare rispetto alle cause che la provocano (H).

L'esistenza della magnetizzazione residua rende possibile la produzione di magneti permanenti, perché i ferromagneti con Bres ≠ 0 hanno un momento magnetico costante e creano un campo magnetico costante nello spazio che li circonda. Un tale magnete conserva meglio le sue proprietà quanto maggiore è la forza coercitiva del materiale di cui è composto. I materiali magnetici vengono solitamente suddivisi in base al valore di Hc magneticamente morbido(cioè con H basso dell'ordine di 10 -2 A/m e, di conseguenza, con un anello di isteresi stretto) e magneticamente duro(H con ~10 5 A/m e un ampio ciclo di isteresi). Per la produzione di trasformatori sono necessari materiali magnetici morbidi, i cui nuclei vengono costantemente rimagnetizzati dalla corrente alternata. Se il nucleo del trasformatore ha un'isteresi elevata, si riscalderà durante l'inversione della magnetizzazione, sprecando energia. I trasformatori richiedono quindi materiali il più possibile privi di isteresi. I ferromagneti con un anello di isteresi stretto includono leghe di ferro con nichel o ferro con nichel e molibdeno (permalloy e supermalloy).

Per realizzare magneti permanenti vengono utilizzati materiali magneticamente duri (compresi acciai al carbonio, tungsteno, cromo e alluminio-nichel).

La magnetizzazione permanente residua esisterà indefinitamente se il ferromagnete non è esposto a forti campi magnetici, alte temperature e deformazioni. Tutte le informazioni registrate sui nastri magnetici, dalla musica ai programmi video, vengono memorizzate grazie a questo fenomeno fisico.

Una caratteristica essenziale dei ferromagneti sono gli enormi valori di permeabilità magnetica e suscettibilità magnetica. Ad esempio, per il ferro μ max ≈ 5000, per permalloy – 100000, per supermalloy – 900000. Per i ferromagneti, i valori di suscettibilità magnetica e permeabilità magnetica sono funzioni dell'intensità del campo magnetico H (Fig. 2.11). Con l'aumento dell'intensità del campo, il valore di μ aumenta prima rapidamente fino a μ max, quindi diminuisce, avvicinandosi al valore μ=1 in campi molto intensi. Pertanto, sebbene la formula B = μμ 0 H rimanga valida per le sostanze ferromagnetiche, la relazione lineare tra B e H è violata.

Il secondo effetto magnetomeccanico è Effetto Villari– cambiamento e addirittura scomparsa della magnetizzazione residua di un corpo quando viene scosso o deformato (scoperto da E. Villari nel 1865). È per questo motivo che i magneti permanenti dovrebbero essere protetti dagli urti.

Il riscaldamento agisce sui ferromagneti in modo simile alla deformazione. Con l'aumento della temperatura, la magnetizzazione residua inizia a diminuire, inizialmente debolmente, quindi, al raggiungimento di una certa temperatura caratteristica sufficientemente elevata di ciascun ferromagnete, si verifica una brusca diminuzione della magnetizzazione fino a zero. Il corpo diventa quindi paramagnetico. Viene chiamata la temperatura alla quale si verifica un tale cambiamento nelle proprietà Punto di curie, in onore di P. Curie che lo scoprì. Per il ferro, il punto Curie è 770ºC, per il cobalto - 1130ºC, per il nichel - 358ºC, per il gadolinio - 16ºC. Questa transizione non è accompagnata dal rilascio o dall'assorbimento di calore ed è una transizione di fase del secondo ordine. Tutti questi fenomeni trovano la loro spiegazione se si considera la struttura dei ferromagneti.

In base alle loro proprietà magnetiche, tutte le sostanze sono divise in debolmente magnetiche e fortemente magnetiche. Inoltre, i magneti vengono classificati in base al meccanismo di magnetizzazione.

Diamagneti

I diamagneti sono classificati come sostanze debolmente magnetiche. In assenza di campo magnetico non sono magnetizzati. In tali sostanze, quando vengono introdotte in un campo magnetico esterno, il movimento degli elettroni nelle molecole e negli atomi cambia in modo tale da formare una corrente circolare orientata. La corrente è caratterizzata da un momento magnetico ($p_m$):

dove $S$ è l'area della bobina con corrente.

L'induzione magnetica creata da questa corrente circolare, aggiuntiva al campo esterno, è diretta contro il campo esterno. Il valore del campo aggiuntivo può essere trovato come:

Qualsiasi sostanza ha diamagnetismo.

La permeabilità magnetica dei materiali diamagnetici differisce leggermente dall'unità. Per i solidi e i liquidi la suscettibilità diamagnetica è dell'ordine di circa $(10)^(-5),\ $per i gas è significativamente inferiore. La suscettibilità magnetica dei materiali diamagnetici non dipende dalla temperatura, scoperta sperimentalmente da P. Curie.

I diamagneti si dividono in “classici”, “anomali” e superconduttori. I materiali diamagnetici classici hanno una suscettibilità magnetica $\varkappa

Nei campi magnetici deboli, la magnetizzazione dei materiali diamagnetici è proporzionale all'intensità del campo magnetico ($\overrightarrow(H)$):

dove $\varkappa$ è la suscettibilità magnetica del mezzo (magnete). La Figura 1 mostra la dipendenza della magnetizzazione di un diamagnetico “classico” dall'intensità del campo magnetico in campi deboli.

Paramagneti

Anche le sostanze paramagnetiche sono classificate come sostanze debolmente magnetiche. Le molecole paramagnetiche hanno un momento magnetico permanente ($\overrightarrow(p_m)$). L'energia del momento magnetico in un campo magnetico esterno si calcola con la formula:

Il valore energetico minimo si raggiunge quando la direzione di $\overrightarrow(p_m)$ coincide con $\overrightarrow(B)$. Quando una sostanza paramagnetica viene introdotta in un campo magnetico esterno secondo la distribuzione di Boltzmann, appare un orientamento preferenziale dei momenti magnetici delle sue molecole nella direzione del campo. Appare la magnetizzazione della sostanza. L'induzione del campo aggiuntivo coincide con il campo esterno e di conseguenza lo potenzia. L'angolo tra la direzione $\overrightarrow(p_m)$ e $\overrightarrow(B)$ non cambia. Il riorientamento dei momenti magnetici secondo la distribuzione di Boltzmann avviene a causa di collisioni e interazioni degli atomi tra loro. La suscettibilità paramagnetica ($\varkappa $) dipende dalla temperatura secondo la legge di Curie:

o la legge di Curie-Weiss:

dove C e C" sono le costanti di Curie, $\triangolo $ è una costante che può essere maggiore o minore di zero.

La suscettibilità magnetica ($\varkappa $) di un paramagnetico è maggiore di zero, ma, come quella di un diamagnetico, è molto piccola.

I paramagneti si dividono in paramagneti normali, metalli paramagnetici e antiferromagneti.

Per i metalli paramagnetici, la suscettibilità magnetica non dipende dalla temperatura. Questi metalli sono debolmente magnetici $\varkappa \circa (10)^(-6).$

Nei materiali paramagnetici esiste un fenomeno chiamato risonanza paramagnetica. Supponiamo che in un materiale paramagnetico che si trova in un campo magnetico esterno si crei un ulteriore campo magnetico periodico, il vettore di induzione di questo campo è perpendicolare al vettore di induzione di un campo costante. Come risultato dell'interazione del momento magnetico di un atomo con un campo aggiuntivo, si crea un momento di forza ($\overrightarrow(M)$), che tende a modificare l'angolo tra $\overrightarrow(p_m)$ e $ \overrightarrow(B).$ Se la frequenza del campo magnetico alternato e la frequenza della precessione del movimento atomico coincidono, allora la coppia creata dal campo magnetico alternato aumenta costantemente l'angolo tra $\overrightarrow(p_m)$ e $ \overrightarrow(B)$, o diminuisce. Questo fenomeno è chiamato risonanza paramagnetica.

Nei campi magnetici deboli, la magnetizzazione nei materiali paramagnetici è proporzionale all'intensità del campo ed è espressa dalla formula (3) (Fig. 2).

Ferromagneti

I ferromagneti sono classificati come sostanze altamente magnetiche. I magneti la cui permeabilità magnetica raggiunge grandi valori e dipende dal campo magnetico esterno e dalla storia precedente sono chiamati ferromagneti. I ferromagneti possono avere magnetizzazione residua.

La suscettibilità magnetica dei ferromagneti è una funzione della forza del campo magnetico esterno. La dipendenza J(H) è mostrata in Fig. 3. La magnetizzazione ha un limite di saturazione ($J_(nas)$).

L'esistenza di un limite di saturazione della magnetizzazione indica che la magnetizzazione dei ferromagneti è causata dal riorientamento di alcuni momenti magnetici elementari. Nei ferromagneti si osserva il fenomeno dell'isteresi (Fig. 4).

I ferromagneti, a loro volta, si dividono in:

Morbido magneticamente. Sostanze con elevata permeabilità magnetica, facilmente magnetizzabili e smagnetizzate. Vengono utilizzati nell'ingegneria elettrica, dove lavorano con campi alternati, ad esempio nei trasformatori.
Magneticamente duro. Sostanze con permeabilità magnetica relativamente bassa, difficili da magnetizzare e smagnetizzare. Queste sostanze vengono utilizzate per creare magneti permanenti.

Esempio 1

Compito: La dipendenza della magnetizzazione per un ferromagnete è mostrata in Fig. 3. J(H). Disegna la curva B(H). C'è saturazione per l'induzione magnetica, perché?

Poiché il vettore di induzione magnetica è legato al vettore di magnetizzazione dalla relazione:

\[(\overrightarrow(B)=\overrightarrow(J\ )+\mu )_0\overrightarrow(H)\ \left(1.1\right),\]

allora la curva B(H) non raggiunge la saturazione. Un grafico della dipendenza dell'induzione del campo magnetico dall'intensità del campo magnetico esterno può essere presentato come mostrato in Fig. 5. Tale curva è chiamata curva di magnetizzazione.

Risposta: Non c'è saturazione per la curva di induzione.

Esempio 2

Compito: Ottenere la formula per la suscettività paramagnetica $(\varkappa)$, sapendo che il meccanismo di magnetizzazione di un paramagnete è simile al meccanismo di elettrificazione dei dielettrici polari. Per il valore medio del momento magnetico di una molecola in proiezione sull'asse Z possiamo scrivere la formula:

\[\left\langle p_(mz)\right\rangle =p_mL\left(\beta \right)\left(2.1\right),\]

dove $L\left(\beta \right)=cth\left(\beta \right)-\frac(1)(\beta )$ è la funzione di Langevin con $\beta =\frac(p_mB)(kT). $

Ad alte temperature e piccoli campi, otteniamo che:

Pertanto, per $\beta \ll 1$ $cth\left(\beta \right)=\frac(1)(\beta )+\frac(\beta )(3)-\frac((\beta )^3 )(45)+\dots $ , restringendo la funzione con un termine lineare in $\beta $ si ottiene:

Sostituendo il risultato (2.3) nella (2.1), otteniamo:

\[\sinistra\langle p_(mz)\destra\rangle =p_m\frac(p_mB)(3kT)=\frac((p_m)^2B)(3kT)\ \sinistra(2.4\destra).\]

Utilizzando la relazione tra l'intensità del campo magnetico e l'induzione magnetica ($\overrightarrow(B)=\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)$), tenendo conto che la permeabilità magnetica dei materiali paramagnetici differisce poco dall'unità, possiamo scrivere:

\[\sinistra\langle p_(mz)\destra\rangle =\frac((p_m)^2(\mu )_0H)(3kT)\sinistra(2.5\destra).\]

Quindi la magnetizzazione sarà simile a:

Sapendo che la relazione tra il modulo di magnetizzazione e il modulo vettoriale della tensione ha la forma:

Per la suscettibilità paramagnetica abbiamo:

\[\varkappa =\frac((p_m)^2m_0n)(3kT)\ .\]

Risposta: $\varkappa =\frac((p_m)^2(\mu )_0n)(3kT)\ .$