Ричард Фейнман - 7. Физика сплошных сред

Существует еще один вид магнитных материалов, открытых совсем недавно,— это члены семейства со структурой ортосиликатов, называемых гранатами. Это тоже кристаллы, в ре­шетке которых содержатся два сорта металлических атомов; здесь мы снова сталкиваемся с ситуацией, когда оба сорта ато­мов можно заменять почти по желанию. Среди множества ин­тересующих нас составов есть один, который обладает ферромаг­нетизмом. В структуре граната он содержит атомы иттрия и железа и причина его ферромагнетизма весьма любопытна. Здесь снова по квантовой механике соседние спины противо­положны, так что это опять замкнутая система спинов, в ко­торой электронные спины ионов железа направлены в одну сторону, а электронные спины ионов иттрия — в противопо­ложную. Но атомы иттрия очень сложны. В их магнитный мо­мент большой вклад вносит орбитальное движение электронов. Вклад орбитального движения для иттрия противоположен вкладу спина, и, кроме того, он больше его. Таким образом, хотя квантовая механика, опираясь на свой принцип запрета, стремится направить спины ионов иттрия противоположно спинам ионов железа, результирующий магнитный момент ит­трия в результате орбитального эффекта оказывается парал­лельным спинам ионов железа. И соединение работает как на­стоящий ферромагнетик.

Другой интересный пример ферромагнетизма дают некото­рые редкоземельные элементы. Здесь мы встречаемся с еще боль­шими странностями в расположении спинов. Эти металлы не ферромагнетики в том смысле, что все спины в них параллель­ны, и не антиферромагнетики в том смысле, что спины сосед­них атомов противоположны. В этих кристаллах все спины в одном слое параллельны и лежат в плоскости слоя. В следую­щем слое все спины снова параллельны друг другу, но смотрят уже в несколько ином направлении. В следующем слое они тоже направлены в другую сторону и т. д. В результате вектор локального намагничивания (в слоях) меняется по спирали: магнитные моменты последовательных слоев поворачиваются при движении вокруг линии, перпендикулярной слоям. Инте­ресно попытаться проанализировать, что получается, когда к такой спирали прилагается поле, найти все скручивания и повороты, которые должны происходить со всеми этими атом­ными магнитиками. (Некоторые люди просто увлечены теориями подобных вещей!) В природе встречаются не только «плоские» спирали, но существуют еще случаи, когда направления маг­нитных моментов последовательных слоев образуют конус, так что у них есть не только спиральная компонента, но и одно­родная ферромагнитная компонента в том же направлении!

Магнитные свойства материалов на более высоком уровне, чем занимались мы с вами, очаровывают многих физиков. Пре­жде всего этим увлекаются люди практического склада, кото­рые любят придумывать способы улучшать разные вещи; им нравится изобретать более совершенные и интересные магнит­ные материалы. Открытие таких материалов, как ферриты, или их применение немедленно привело в восторг тех, кто выиски­вает новые хитрые пути сделать вещи совершеннее. Но есть еще люди, которые находят очарование в той ужасной сложности, которую природа создает на основе лишь нескольких фунда­ментальных законов. На основе одной и той же общей идеи природа от ферромагнетизма железа и его доменов дошла до антиферромагнетизма хрома, магнетизма ферритов и гранатов, до спиральной структуры редкоземельных элементов и шагает все дальше и дальше. До чего же приятно экспериментально открывать все эти странные явления, упрятанные в подобных особых веществах! А физикам-теоретикам ферромагнетизм по­дарил целый ряд интереснейших еще не решенных красивых проблем. Одна из них: почему вообще существует ферромагне­тизм? Другая — вывести статистику взаимодействующих спи­нов в идеальной решетке. Даже если пренебречь дополнитель­ными усложнениями, эти проблемы до сих пор не поддаются полному пониманию. Причина, по которой они так интересны,— удивительная простота постановки задачи: в правильной ре­шетке задано множество электронных спинов, взаимодействую­щих по такому-то и такому-то закону; что с ними в конце концов происходит? Поставить-то задачу было легко, а вот пол­ному анализу она не поддавалась многие годы. И хотя для тем­ператур, не слишком близких к точке Кюри, она была проана­лизирована довольно тщательно, теория внезапного перехода в точке Кюри до сих пор еще ждет своего решения.