Методы определения констант магнитокристаллической анизотропии сильно анизотропных магнетиков

В данном параграфе рассмотрим экспериментальные методики определения величин констант МКА применительно к магнетикам, обладающим необычайно высокой энергией МКА, к каким, как мы это увидим ниже, относятся некоторые РЗМ и их соединения с Зб-металлами при низких температурах. В частности, на рис. 11 показаны экспериментально измеренные кривые намагничивания монокристалла тербия при Т = 4,2 К. Как видно, анизотропия намагничивания в БП этого кристалла достаточно высокая, что и приводит (наряду с «работой» магнитоупругой энергии) к подавлению антиферромагнетизма при низких температурах, диктуемого обменными взаимодействиями по модели РККИ. Но совершенно неожиданным для магнитологов 1960;х гг. явилось наличие гигантского энергетического барьера для его намагничивания в направлении с-оси.

Рис. 11. Экспериментально измеренные кривые намагничивания монокристалла тербия в направлении кристаллографических осей а, Ьис.

при температуре 4,2 К В диапазоне полей 0−80 кЭ процесс намагничивания в направлении с-оси описывается прямой линией, а значение намагниченности кристалла в максимальном поле порядка 80 кЭ составляет только 20% от величины его спонтанной намагниченности. Как пойдет его намагничивание в более сильных магнитных полях, никто не знал. Чтобы узнать, надо приложить поле Н порядка 500 кЭ. Только в этом случае можно рассчитывать на определение величин констант МКА более высоких порядков.

Заметим, что широко применяемый метод анизомстра вращающих моментов оказался практически бессильным для измерения констант МКА более высокого, чем К_1? порядка вследствие малости величины максимального магнитного поля в используемых для его реализации электромагнитах (не более 25−30 кЭ).

Итак, рассмотрим формулы, описывающие процесс намагничивания гексагональных кристаллов, к которым в первом приближении относится по типу кристаллической структуры большинство РЗМ. Аппроксимация последними экспериментально измеренных кривых намагничивания позволяет определить значения всех констант (или коэффициентов) МКА, если конечно удается достигать магнитного насыщения в направлении всех главных кристаллографических осей. Достаточно просто показать, что для случая, когда осью легкого намагничивания является с-ось, намагничивание гексагонального кристалла вдоль а- или 6-осей будет описываться в неявном виде формулой.

где Н — напряженность внешнего магнитного поля; т — отнесенная к Af проекция вектора спонтанной намагниченности М_и на направление поля; N — размагничивающий фактор (для сферы N = 4п/3 в системе СГСМ). В том случае, когда ось легкого намагничивания (ОЛН) в кристалле ориентирована в базовой плоскости, намагничивание с целью последующего определения величин констант МКА необходимо производить в направлении с-оси. Результирующая в направлении приложенного внешнего магнитного поля намагниченность будет связана с его величиной и константами МКА следующим соотношением:

Для расчета величины константы МКА К₄, характеризующей МКА в базисной плоскости, когда я-ось является ОЛН, а ось 6 - трудная ось в базовой плоскости, намагничивание в направлении 6-оси описывается в неявном виде формулой.

Таким образом, когда у исследователя есть монокристаллический образец и достаточное для его доведения до магнитного насыщения в направлении главных кристаллографических осей магнитнос поле в лабораторном источнике (будь то электромагнит или сверхпроводящий соленоид), задача определения констант МКА с использованием соотношений (24)-(26) может быть успешно решена (естественно, при наличии должной магнитоизмерительной аппаратуры: вибромагнитометр, СКВИД-магнитометр и т. д.). В большинстве научных лабораторий мира источниками магнитных полей являются электромагниты и сверхпроводящие соленоиды, генерирующие стационарные магнитные поля с максимальной напряженностью Н_тлх до 30 кЭ в электромагните и 90−190 кЭ в сверхпроводящем соленоиде.

Поэтому для исследований МКА магнитных кристаллов с большей Н_тм величиной поля анизотропии приходится использовать более высокие по максимальной напряженности импульсные магнитные поля, генерируемые разрядом предварительно заряженной батареи конденсаторов на малоиндуктивный соленоид. В них величина Н может в несколько раз превышать таковую в источниках стационарного поля. Однако длительность импульсов поля, как правило, находится в диапазоне 10^-2-10 ⁴ с, поэтому и они не всегда эффективны при исследовании металлических материалов из-за ограниченной глубины проникновения поля в образец (скин-эффект).

В отделе магнетизма твердых тел НИИ физики и прикладной математики в 1971 г. была создана установка для получения импульсного магнитного поля длительностью т = 0,5−20 мс, позволяющая генерировать максимальное поле до Н_тм = 440 кЭ при т = 0,5 мс. Однако соленоиды, генерирующие такие поля, оказались короткоживущими, поэтому пришлось ограничиться максимально достигаемой величиной магнитного поля Н в 200−250 кЭ. Установка.

max.

была оснащена криостатом, измерительной ячейкой — системой скомпенсированных измерительных катушек и регистрирующей однократные динамические процессы аппаратурой, что позволило измерять и записывать кривые намагничивания небольших образцов при разных температурах и, пользуясь формулами (24)-(26), определять константы МКА исследуемых объектов.

В тех случаях, когда монокристаллов у исследователя нет, а имеется только поликристалл однофазного материала с большой МКА, дать оценку его энергии МКА можно по величине поля анизотропии — Н_А, величина которого связана с величинами констант МКА одноосных кристаллов (ОЛН параллельна с-оси) простым соотношением:

Эту задачу, при наличии установки для генерации импульсного магнитного поля и соответствующей магнитоизмерительной ячейки, позволяет решить так называемый SPD-метод (от английских слов Singular Point Detection), в переводе на русский язык — метод отыскания сингулярной точки на кривой намагничивания А/=/(//). Эта точка реализуется при достижении Н = Н_А, и только в том случае, когда вектор внешнего магнитного поля Н строго перпендикулярен ОЛН. В поликристаллическом или порошкообразном образце всегда находятся микрозерна или микропорошинки, ориентация которых удовлетворяет этому условию. Остается только быть уверенным в том, что величина Н при разряде батареи превышает На регистрирующая М =/(Н) аппаратура позволяет «разглядеть» эту точку на данной зависимости. Облегчить ее отыскание позволяет дифференцирование первичного сигнала dMIdt и его запись в координатах d²Mldt² =/(Я). Легко убедиться, что в точке /У = /У₍ функция d²M/dt² имеет экстремум — локальный всплеск или провал, связанные как раз с «прохождением» во время роста или падения величины внешнего импульсного магнитного поля вышеописанного состояния у некоторых зерен (частиц порошка) образца. Именно такие зерна и «просигналят» об этом. Таким методом сейчас достаточно широко пользуются магнитологи, когда нет монокристаллов исследуемого вещества, но требуется достаточно адекватно оценить его МКА.