Магнитная структура редкоземельных металлов

Обратимся теперь к рассмотрению реализующихся в магнитоупорядоченном состоянии магнитных структур у редкоземельных металлов. Схематически эти структуры приведены на рис. 7. Лантан исключен, поскольку у него нет 41-электронов и никаких магнитных структур быть нс может.

Рассмотрение начнем с церия (Се). Магнитный порядок в нем возникает при Т = 12,5 К. Методами магнитной нейтронографии было установлено, что в нем формируется антиферромагнитная структура с ориентацией магнитного момента вдоль с-оси.

В металлическом празеодиме (Рг) не наблюдается магнитный порядок без внешнего магнитного поля, поэтому магнитная структура здесь не приводится.

В неодиме (Nd) возникает магнитный порядок при еще более низкой температуре, чем в Се — ниже 7,5 К. В нем наблюдается довольно сложная магнитная структура: в основном магнитные моменты ориентированы в базисной плоскости (БП). В некоторых из плоскостей магнитный момент отклонен от БП на небольшой угол в сторону с-оси, причем этот угол может меняться с температурой. В следующей по порядку БП магнитные моменты антипараллельны предыдущей, и этот характер упорядочения транслируется во всем объеме кристалла. Таким образом, можно констатировать, что в металлическом неодиме реализуется сложная антиферромагнитная структура с вектором антиферромагнетизма, ориентированным параллельно БП или лежащим близко к этому.

У самария (Sm) тоже очень низкая температура возникновения магнитного порядка, но точных данных по его структуре нет, поскольку у него магнитный момент невелик и исследовать магнитными методами непросто, а нейтронографически вообще невоз;

Рис. 7. Типы и температурные интервалы существования магнитных структур в РЗМ [5] можно ввиду того, что самарий очень активно поглощает нейтроны. Предположительно у него магнитный момент ориентирован вдоль с-оси кристаллической решетки.

Температура магнитного упорядочения европия (Ей) составляет Т_с = 94 К. Он тоже обладает антиферромагнитной структурой типа геликоида: магнитный момент ориентирован в базисной плоскости, которая является неким квадратом, потому что Ей имеет ГЦК-структуру и магнитный момент поворачивается при движении от одной плоскости к другой, образуя антиферромагнитный геликоид.

Из всех чистых РЗМ самая высокая температура магнитного упорядочения у гадолиния (Gd) — 293 К. При понижении температуры ниже точки Кюри возникает ферромагнитная структура с ориентацией магнитного момента вдоль с-оси. Такая ориентация наличествует до 240 К. После этого происходит отклонение ориентации магнитного момента от с-оси на некоторый угол, величина которого увеличивается при дальнейшем понижении температуры. В целом для Gd характерна ферромагнитная структура.

Магнитный момент в тербии (ТЬ) при переходе из парамагнитного состояния в упорядоченное ориентируется антиферромагнитно, причем лежит в базисной плоскости и образует некую спираль с поворотом магнитного момента вокруг с-оси на одинаковый угол при «движении» вдоль нее. Величина этого угла меняется при изменении температуры. Эта структура существует лишь в узком интервале температур от 229 до 221 К. Ниже 221 К все магнитные моменты атомов ТЬ упорядочиваются ферромагнитно и ориентируются параллельно кристаллографической оси Ь. Следовательно, при Т= 221 К реализуется магнитный фазовый переход из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние.

В диспрозии (Dy) картина аналогична таковой для ТЬ, только температуры переходов другие. Здесь возникает антиферромагнитный геликоид при 178 К и существует до 85 К, а ниже 85 К возникает ферромагнитная структура типа той, что в ТЬ, только магнитный момент ориентирован вдоль оси а [100], а не b кристаллической решетки.

В гольмии (Но) ниже 132 К возникает антиферромагнитный геликоид типа таковых для ТЬ и Dy, который существует до 20 К, а ниже 20 К магнитный момент «выпрыгивает» из базисной плоскости и ориентируется под некоторым углом к ней, при этом поворачивается вокруг с-оси при движении от одной атомной плоскости к другой. Это так называемый ферромагнитный геликоид, т. е. магнитные моменты тотально непараллельны, но есть компонента магнитного момента на оось, и она постоянна для всех атомных плоскостей.

Еще сложнее ситуация в эрбии (Ег): ниже 85 К возникает магнитный порядок антиферромагнитноготипа. Магнитный момент ориентирован вдоль с-оси, но он модулирован по синусоиде, т. е. величина проекции магнитного момента на с-ось меняется как по модулю, так и по направлению. И эта ситуация существует до 53 К, а дальше антиферромагнетизм пропадает и возникает ферромагнитный геликоид, подобный таковому в Но.

Температура упорядочения атомных магнитных моментов тулия (Тт) еще меньше — 56 К. Ниже нее формируется магнитная структура, подобная таковой для Ег, а ниже 25 К возникает так называемая антифазная магнитная структура. Ее можно обозначить как нескомпенсированную антиферромагнитную. Все атомные магнитные моменты Тт ориентированы вдоль с-оси, но число магнитных моментов, ориентированных, условно говоря, «вверх» и «вниз», неодинаковое, поэтому возникает результирующий магнитный момент со средней величиной порядка 1 р_в на атом (у свободного атома Тт — 7 р_в!).