Константы магнитокристаллической анизотропии редкоземельных металлов и эксперименты по выяснению природы анизотропии в них

Успехи магнитологов и материаловедов в части получения достаточно чистых РЗМ и выращиванию их монокристаллов позволили уже к середине 1960;х гг. получить достаточно надежные экспериментальные данные о типе МКА у большинства тяжелых редкоземельных металлов (ТРЗМ) и величинах их констант МКА (по крайней мере для К_{ и К₂). Сведения о величине константы К₁ некоторых РЗМ при Т = 4,2 К представлены в табл. 13. Здесь же приведено значение К, кобальта. Как видно, порядок величины К, у четверки — Tb, Dy, Но, Ег — составляет 10⁸ эрг/см³, что на два порядка выше, чем у Зб-металлов (в частности Со). Знак «минус» говорит о том, что легкая ось находится перпендикулярно ооси, а «плюс» — ориентирована вдоль ооси.

Таблица 13.

Значения констант МКА К_х некоторых РЗМ при Т = 4,2 К

Константа анизотропии Gd по величине примерно на три порядка меньше, чем у правее стоящих от Gd соседей в ряду РЗЭ. Отсюда сразу возникает мысль, что вес это связано с ничем иным, как отсутствием у 41-оболочки Gd орбитального момента и наличием такового у соседних с ним РЗЭ. Последнее приводит к тому, что плотность пространственного распределения 4Г-электронов в зависимости от величины магнитного квантового числа m_f существенно отличается от сферичной, а в целом их 4Р-электронная оболочка является неким менее симметричным, чем сфера, образованием. Это обстоятельство и может приводить к возникновению магнитокристаллической анизотропии и, как мы увидим ниже, анизотропной магнитострикции.

Существует два варианта механизма МКА. Первый — механизм кристаллического поля. Суть этого механизма состоит в том, что анизотропная по форме отрицательно заряженная 4Поболочка своими орбиталями располагается по направлениям к положительно заряженным соседним ионам, минимизируя тем самым энергию электростатического взаимодействия. Поскольку орбитальный и спиновый моменты связаны в полный механический момент, а с ним связан и магнитный момент, то последний будет ориентироваться определенным и одинаковым образом на всех узлах кристаллической решетки и таким образом создавать ось легкого намагничивания в кристалле.

Электроны проводимости, находящиеся вокруг закрепленных в узлах кристаллической решетки положительно заряженных ионов РЗЭ, могут экранировать влияние на 4Поболочку положительно заряженных соседних ионов, что, если их рассматривать как точечные, обусловит эффективное снижение их электрического заряда от значения +3е до какой-то меньшей величины. Дополнительное экранирование 41-оболочки создают и собственные заполненные 5sи 5с1-элсктронные оболочки, но в целом электрическое поле соседних ионов — лигандов — не полностью экранируется и ориентирует регулярным образом 4Пэлектронные оболочки всего коллектива РЗЭ-ионов в кристалле. Отсюда возникает магнитокристаллическая анизотропия по механизму кристаллического поля.

Другой вариант физического механизма, обуславливающий гигантскую МКА у некоторых РЗМ, который тут же пришел на ум магнитологам в 1960;е гг., — механизм анизотропного обменного взаимодействия. Если рассмотреть просто пару ионов с нссферичными по форме 4Пэлектронными оболочками, то энергия обменного взаимодействия между ними по модели РККИ в принципе может быть разной при различных взаимных ориентациях. То есть анизотропия обменного воздействия, энергия которого зависит от взаимной ориентации электронного облака 4Пионов, тоже может приводить к возникновению магнитокристаллической анизотропии. Возник вопрос: какой механизм работает? Эта задача решалась как теоретически, так и экспериментально. Например, если расплавить тербий или диспрозий и ввести в расплав немагнитный аналог (La, Lu, Y) или не имеющий орбитального момента гадолиний, закристаллизовать такой расплав и получить ряд монокристаллических образцов системы R Gd, _v, с величиной х в интервале 0−1, то, изучая концентрационную зависимость констант МКА в таких системах, можно установить, какой из вышеназванных механизмов действительно формирует МКА в РЗМ.

МКА по механизму кристаллического поля по своей природе одноионная, т. е. каждый ион РЗЭ с ненулевым орбитальным моментом привносит в эту систему свой одинаковый по величине вклад в МКА. Если мы увеличиваем их число в единице объема сплава, то и каждый новый R-ион, вводимый в этот сплав и замещающий Gd, будет давать одинаковый дополнительный вклад в общую величину константы МКА либо константы магнитострикции. Ионы же гадолиния обладают сферической по форме 4Р-оболочкой и поэтому такого вклада в МКА не дают, но при этом обладают таким же электрическим зарядом, что и магнитоактивные (с точки зрения МКА) R-ионы, и создают одинаковое по напряженности электрическое кристаллическое поле. Таким образом, в случае «работы» этого механизма зависимость константы анизотропии от концентрации х должна быть линейная:

где ATj (l) — константа МКА чистого высокоанизотропного R-металла; х — его концентрация в сплаве RGd, _v.

Когда R-элемент отсутствует, т. е. х = 0, то и константа анизотропии К_{ = 0 (хотя на самом деле она не 0, а на 3 порядка меньше). В случае МКА в РЗМ по механизму анизотропного обмена полная обменная энергия системы складывается из парных взаимодействий. Следовательно, МКА будет пропорциональна общему количеству пар ионов с несферической 4Р-электронной оболочкой. Число пар такого R-элемента пропорционально квадрату его концентрации в единице объема материала, т. е. в этом случае концентрационная зависимость констант МКА примет такой вид:

В таком случае природу МКА в РЗМ принято называть двухионной. Она может быть нс только за счет анизотропного обменного взаимодействия, которое в данном случае «работает» по модели РККИ, но и, например, диполь-дипольного магнитостатического взаимодействия. Графически зависимости (28) и (29) показаны на рис. 12. Таким образом, можно экспериментально установить, какая природа МКА имеет место в РЗМ. Такие эксперименты были проведены в 1960;е гг. как в США, так и СССР в Московском госуниверситете группой сотрудников под руководством профессора К. П. Белова на системе сплавов Dy_vGd_{1 t}. Было установлено, что в основном эти зависимости и для констант МКА, и для констант магнитострикции — линейные, хотя имелись некоторые отклонения от линейности, которые были поначалу интерпретированы так, что есть и двухионный вклад в МКА, но он меньше одноионного. Позднее теоретики, в частности профессор УрГУ им. А. М. Горького А. А. Казаков, объяснил это тем, что в системе Dy Gd_{1 v} с изменением концентрации в силу лантаноидного сжатия несколько меняются параметры кристаллической решетки, а также имеет место неодинаковость эффективных электрических зарядов диспрозия и гадолиния, что и приводит к тому, что зависимость получается несколько нелинейная. Если сделать на это поправку, то она обретает полностью линейный характер, и можно считать, что природа МКА в РЗМ с ненулевым орбитальным моментом у R-ионов — одноионная и формируется по механизму кристаллического поля.

На систему электронов, имеющих магнитный момент (3d или 41), в атомах металла действует некоторое электрическое поле Е_к, создаваемое окружающими ионами. Это кристаллическое поле влияет на их орбитальный момент таким образом, что в случае Зб-металла оно его полностью замораживает, а в случае 4fлишь незначительно воздействует. Получается так, что на полный механический.

Рис. 12. Ожидаемый характер концентрационных зависимостей константы К_] в системе R_vGd, _х при одноионной (пунктир) и двухионной (сплошная линия) природе МКА в R-металле с ненулевым орбитальным моментом у R-иона момент (а вместе с ним — магнитный) 4Гэлектронной оболочки оказывает влияние наличие соседних атомов, создающих? Поэтому в случае приложения внешнего магнитного поля Я, воздействующего на эту систему векторов M_L и энергия взаимодействия электронной оболочки с кристаллическим полем увеличивается, препятствуя такому повороту, т. е. обуславливает МКА. Эта ситуация отличается от той, которая имеет место в Зё-металлах.

В Зё-металлах Е_к совершенно жестким образом связывает М_р и при формировании МКА срабатывает только спин-орбитальное взаимодействие с энергией Е. То есть при наложении Я поворачивается только магнитный момент, связанный со спином, а орбитальный момент при этом не реагирует на приложенное магнитное поле, поскольку он заморожен кристаллическим полем решетки. Говоря на языке энергий, можно записать, что в РЗМ? " ?., тогда как в Зё-металле Е «Е .

SO к.