Feynmann - Feynmann 7

Существует еще один сорт веществ, у которых квантово-механический эффект приводит к чередующимся спинам элект­ронов, но которые тем не менее являются ферромагнетиками, т. е. их кристаллы имеют постоянную результирующую намаг­ниченность. Идея, лежащая в основе объяснения свойств таких материалов, иллюстрируется схемой на фиг. 37.14.

Фиг. 37.14. Кристаллическая структура минерала шпинель (MgOAl 2O 3).

Ионы Mg 2+ занимают тетраэдрические места, и каждый из них ок­ружен четырьмя ионами кислорода; ионы А1 3+ занимают октаэдрические места, и каждый окружен шестью ионами кислорода.

На схеме показана кристаллическая структура минерала, известного под названием шпинели (MgOAl 2O 3), который, как это показано, не является магнетиком. Этот минерал содержит два сорта ме­таллических атомов — магний и алюминий. Если теперь заме­нить магний и алюминий магнитными элементами типа железа, т. е. вместо немагнитных атомов вставить магнитные, то полу­чится преинтереснейший эффект. Давайте назовем один сорт атомов металла а, а другой сорт — b ; необходимо рассмотреть разные комбинации сил! Существует взаимодействие а—b , которое старается направить спины атома а и атома b противо­положно, ибо квантовая механика всегда требует, чтобы спи­ны были противоположны (за исключением таинственных кри­сталлов железа, никеля и кобальта). Затем существует взаимо­действие а—а, которое старается направить противоположно спины атомов а; кроме того, есть еще взаимодействие b—b, ко­торое старается направить противоположно спины атомов b. Конечно, сделать все противоположным всему (а противополож­но b и а противоположно а и b противоположно b ) невозможно. По-видимому, благодаря удаленности атомов а и присутствию атомов кислорода (с достоверностью мы не знаем, почему) ока­зывается, что взаимодействие а— b сильнее взаимодействий а—а и b — b . Словом, природа в этом случае воспользовалась ре­шением, в котором спины всех атомов b параллельны друг другу, а все атомы а тоже параллельны друг другу, но между собой эти две системы спинов противоположны. Такой распорядок благо­даря более сильному взаимодействию а— b соответствует наи­низшей энергии. В результате спины всех атомов а направлены вверх, а спины всех атомов b — вниз (может быть, конечно, и наоборот). Но если магнитные моменты атомов а и атомов b не равны друг другу, то создается картина, показанная на фиг. 37.13, в: материал может оказаться спонтанно намагни­ченным. При этом он будет ферромагнетиком, хотя и несколько слабее настоящего. Такие материалы называются ферритами. У них по очевидным причинам намагниченность насыщения не столь велика, как у железа, поэтому они полезны только при слабых магнитных полях. Но они обладают очень важным пре­имуществом — это изоляторы, т. е. ферриты являются ферро­магнитными изоляторами. Вихревые токи, создаваемые в них высокочастотными полями, очень малы, поэтому ферриты мож­но использовать, скажем, в микроволновых системах. Микро­волновые поля способны проникать внутрь таких непроводя­щих материалов, тогда как в проводниках типа железа этому препятствуют вихревые токи.

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.