Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ - возникновение в диэлектрич. кристалле намагниченности т, индуцированной электрич. полем E, или поляризации р, индуцированной магп. полем H.M. э. - результат взаимодействия двух подсистем ионного кристалла: электрической, состоящей из заряж. ионов, и магнитной - совокупности нескомпенсиров. спиновых магн. моментов ионов. Полное феноменоло-гич. описание всех возможных магнитоэлектрич. взаимодействий может быть выполнено на основе термодп-намич. теории фазовых переходов2-го рода Ландау. M. э. чаще всего наблюдается в антиферромагн. кристаллах, для к-рых термодинамический потенциалF есть ф-ция проекции векторов: намагниченности т, антиферромагнетизма l и вектора p- изменения электрич. поляризации, вызванного внеш. полями E и H и (или) переходом в магнитоупорядоченное состояние. Для однодоменных кристаллов, т. е. таких, в к-рых векторы m, l и p. имеют одинаковую величину и одинаковое направление во всех элементарных ячейках кристалла, связанная с M. э. часть потенциала записывается в виде разложения по смешанным произведениям проекций этих векторов. Из числа всех возможных смешанных произведений вида l²p² и т. д. в F входят лишь те, к-рые инвариантны при всех преобразованиях группы симметрии парамагн. фазы конкретного кристалла. Условия устойчивости состояния:- позволяют найти равновесные значения т. и р, причём M. э. возможен, если т( Е) <> 0 и (или) р( Н) <> 0 (<> - неравное). Вид слагаемых в ф-циях т( Е )и p(H )зависит от того, с какими членами в разложении F они связаны, при этом те из слагаемых, к-рые содержат проекции l, появляются только для кристаллов, обладающих магнитной атомной структурой.

Наиб, известен т. н. линейный M. э., возникающий в результате взаимодействий типа lmp, к-рые приводят к линейной связи вида где a_ij - компоненты тензора M. э., пропорциональны проекции вектора (здесь и далее суммирование осуществляется по повторяющимся индексам).

В однодоменном кристалле направление l задано и взаимная ориентация как т( Е )и E, так и р(H) и H полностью определяется величинами Изменение направления l на 180° соответствует др. магн. домену, в к-ром при неизменных относительно кристалла направлениях E. и H векторы т( Е )и р( Н )будут направлены в противоположную сторону. Это обстоятельство используется в эксперименте для получения однодо-менного состояния. Кристалл охлаждается ниже точки магн. перехода T_N (см. Нееля точка )в присутствии пост, полей E и H, ориентированных так, чтобы вдоль направлений этих полей В процессе перехода кристалла в магнитоупорядоченное состояние магнитоэлектрич. взаимодействия реализуют во всём объёме кристалла единственный магнитный домен, соответствующий минимуму термодинамнч. потенциала Ф.

Линейный M. э. обнаружен в 1960 (Д. H. Астров) в кристалле оксида хрома Cr₂O₃, элементарная ячейка к-рого показана на рис. 1, а. Для

, где индекс ^ обозначает величины в оазисной плоскости кристалла. При переходе к другому домену (рис. 1, б )изменяются знаки a_z и a_^. однако указать, какому именно домену какой знак соответствует, невозможно.

В сегнетоэлектрич. борацитах - кристаллах с общей ф-лой

Br, I) при ( Кюри точке )также наблюдается линейный M. э., к-рый, в отличие от M. э. в Cr₂O₃, описывается как диагональными, так и недиагональ-иыми компонентами тензора a_ij

Известно неск. десятков антиферромагнетиков, в к-рых возможен и наблюдается линейный M. э. с величиной a в пределах от 10^-5 до 10^-2 (TbPO₄),

Нелинейные М. э. возникают в результате магнитоэлектрич. взаимодействий вида к-рые приводят к квадратичным зависимостям соответственно по

Рис. 1. Элементарная магнитная ячейка антиферромагнетика Cr₂O₃; а и б- направления магнитных моментов s₁, s₂, s₃ и s₄ ионов в доменах с противоположно ориентированными векторами антиферромагнетизма l

Первый из них возможен во всех кристаллах без центра симметрии в парамагн. фазе при и впервые наблюдался в второй вовможен только в магнитоупорядоченных кристаллах и наблюдался, напр., в веществах с общей ф-лой RFe₅O₁₂ и RFeO₃ (R - редкоземельный ион) с Наконец, взаимодействия вида pl² в кристаллах со слабым ферромагнетизмом (напр., в Со-I-бораците) обусловливают как линейный, так и нелинейный M. э.

M. э. удобно наблюдать динамич. методом, прикладывая к кристаллу переменные поля или на частоте f и измеряя индуцированные ими намагниченность или поляризацию . Селективная техника обеспечивает достаточно высокую чувствительность даже при измерении слабых квадратичных M. э. в полях с амплитудой много меньше той, к-рая может изменить доменную структуру. В динамич. методе линейному M. э. соответствует сигнал на той же частоте f, а квадратичному на частоте При наблюдении квадратичных M. э. можно прикладывать к кристаллу одновременно как переменные так и пост, поля Тогда , т. е. зависимости и будут линейными на той же частоте, что и частота В этом случае M. э. можно рассматривать как линейный, индуцированный пост, полем Н₀ или E₀₀.

Проявления магнитоэлектрич. взаимодействий не ограничиваются M. э. Так, при наличии в F членов вида и парамагн. восприимчивость и поляризуемость оказываются зависящими линейно от полей соответственно. Зависимость наблюдалась экспериментально в кристалле Член вида обусловливает появление поляризации при переходе кристалла в магнитоупорядоченное состояние. Наконец, член вида приводит к изломам на кривой температурной зависимости диэлектрич. проницаемости при в точке Кюри при Магнйтоэлектрич. взаимодействия могут изменять поляризацию эл.-магн. волн при их отражении или пропускании кристаллами, обладающими M. э., вызывать параметрнч. возбуждение спиновых волн в сегнетомаг-нетиках под действием поля высокой частоты или поглощение переменного магн. поля на резонансных частотах электрич. дипольной структуры.

Термодинамич. теория, позволяющая найти вид потенциала F для кристалла с известной симметрией, не даёт никаких сведений ни о величинах констант, описывающих M. э., ни о природе микроскопич. сил, ответственных за его проявление. При изучении механизма M. э. приходится использовать модельные представления, а имеющаяся "микроскопическая" теория носит в основном качеств, характер. Так, описание зависимости (рис. 2) удаётся получить на основе модели о сближении ионов , принадлежащих одной магн. подрешётке, с ионами и удалении от них ионов другой подрешётки под действием поля что приводит к изменению изотропного косвенного обменного взаимодействия в подрешётках.

В результате намагниченности становятся разными и появляется намагниченность кристалла в целом. Эта же модель может быть применена и к др. кристаллам, обладающим M. э., большинство из к-рых содержит кислород.

При наложении на кристалл достаточно больших полей в нём возможны скачкообразные изменения связанные с переходом от одного домена к другому. Так, в Ni - I-борацито при увеличении магн. поля, направленного перпендикулярно вектору спонтанной намагниченности, в точке происходит переброс этого вектора на 90⁰ и вектора спонтанной поляризации на 180° (рис. 3). Внеш. электрич. поле может в свою очередь изменить направление pна 180° с одноврем. перебросом m на 90°. В Cr₂O₃ резкое изменение знака M. э., связанное с переходом от одного домена к другому (переключение доменов), наблюдается при одноврем. наложении достаточно сильных полей E_z и H_z.

Рис. 3. Изменение ориентации векторов спонтанной намагниченности т и поляризации r вNi - I-бораците при достижении внешним магнитным полем критического значения Н _с.

Синтез монокристаллич. веществ, как правило, очень труден, что препятствует всестороннему изучению M. э., однако его простая регистрация возможна в порошках и поликристаллах, где величина достигает от её значения для монокристалла. Охлаждение поликристаллич. образцов ниже в полях создаёт избыток доменов одного типа и, следовательно, макроскопич. намагниченность таких образцов.

Все возможные классы магнитной симметрии, допускающие M. э., известны. Экспериментально изученные вещества относятся только к части этих классов, и лишь для неск. веществ получено полное согласие между результатами измерений и предсказаниями теории. Прямое определение магн. симметрии методами нейтронографии часто затруднено. Исследование M. э., конкретные проявления к-рого зависят от магн. симметрии, и ряде случаев позволяет дополнить ней-тронографич. данные или даже определить магн. атомную структуру независимо, а также получить сведения об её изменении, напр, при ориентаиионном фазовом переходе антиферромагнетика в сильном магн. поле (спин-флоп переход).

Практич. применения M. э. (магн. память, фазовращатели, затворы, невзаимные и переключающие элементы в оптике и т. д.) возможны, однако ни одно из подобных устройств не было реализовано в связи с отсутствием монокристаллич. материалов высокого качества. Лит.:O'D ell T. H., The electrodynamics of magnetoelcct-ric media, Amst.- L., 1970; Magnetoelectric interaction phenomena in crystals, ed. by A. J. Freeman, H. Schmid, L.- [a.o.], 1975; Смоленский G. А., Чупис И. E., Сегнетомагнетики, "УФН", 1982, т. 137, в. 3, с. 415; Веневцев Ю. H., Гагулин В. В., Любимов В. H., Сегнетомагнетики, M., 1982.

Д. H. Астров, Л. H. Батуров.