§44. Електронна структура і магнітні домени в системах з сильними електронними кореляціями

В феноменологічній теорії магнетизму розміри і форма магнітних доменів визначаються з умови мінімуму вільної енергії кристалу, що включає обмінну енергію, енергію магнітної анізотропії і магнітостатичну енергію. Вказані характеристики магнітної структури виражаються в цьому підході через обмінний інтеграл та інші феноменологічні параметри теорії [33]. Встановлення зв’язку між електронною структурою кристалу та просторовими характеристиками його магнітної структури дозволило б передбачати його магнітні характеристики шляхом розрахунку електронної структури, а також цілеспрямовано змінювати останні.

Нехтуючи трьохчастинковими кореляціями та кореляціями більш високого порядку в орієнтації магнітних моментів на вузлах кристалічної решітки, розмір магнітного домену можна оцінити з виразу

, (44.1)

де і – числа частинок від центра доменів, орієнтованих вздовж і проти зовнішнього магнітного поля, до їх границі. Лінійні розміри магнітних доменів рівні

,

, (44.2)

де a – стала решітки.

Використовуючи розраховані рівноважні значення параметрів магнітних кореляцій, за допомогою формул (44.1), (44.2) можна оцінити розміри магнітних доменів в системі Fe_0,5Co_0,5. На рис.44.1а представлена залежність лінійних розмірів магнітних доменів, орієнтованих вздовж ( ) і проти ( ) зовнішнього магнітного поля від величини напруженості цього поля H_z.

В області магнітних полів Н < 4000 А/м спостерігається лінійний ріст розмірів магнітних доменів, орієнтованих вздовж магнітного поля. При цьому розміри доменів, орієнтованих проти зовнішнього магнітного поля, слабо зменшуються. На рис.44.1б представлені рівноважні значення концентрацій і локалізованих магнітних моментів, спрямованих вздовж і проти зовнішнього магнітного поля. Як видно з співставлення рис.44.1а і 44.1б, розмір магнітних доменів, орієнтованих вздовж поля, пропорційний їх концентрації , тобто збільшення їх розміру відбувається за рахунок доменів, які мають протилежну орієнтацію. При великих значеннях напруженості магнітного поля ріст магнітних доменів, спрямованих вздовж поля, сповільнюється, а розміри доменів, орієнтованих проти поля, зменшуються. В цій області значень напруженості магнітного поля відбувається переорієнтація магнітних доменів, спрямованих проти зовнішнього магнітного поля, що приводить до збільшення числа магнітних доменів вздовж поля.

Рис.44.1. Залежність лінійних розмірів ( і ) магнітних доменів (а) і рівноважних значень концентрації ( і ) локалізованих магнітних моментів (б), орієнтованих вздовж і проти зовнішнього магнітного поля від величини напруженості цього поля H_z.

Отримані результати добре узгоджуються з відомими закономірностями зміни розмірів магнітних доменів при зміні напруженості зовнішнього магнітного поля. Розмір магнітного домену при Н = 0, оцінений за параметрами парних магнітних кореляцій, близький до експериментально визначених середніх розмірів областей неоднорідності в сплаві Fe_0,5Co_0,5 [31, 32].

Як зазначається в роботах [31, 32], загальноприйнятим вважається, що унікальні магнітні властивості сплаву FeCo проявляються завдяки встановленню в ньому дальнього атомного порядку. Виходячи з цього, підбиралися режими термічної обробки, прийняті зараз в промисловості, які сприяють максимальному проявленню дальнього впорядкування. Проте, як показали автори цієї роботи, це не в повній мірі відповідає дійсності, оскільки структурний стан сплавів, які можна змінювати термообробкою завдяки наявності на фазовій діаграмі системи області високотемпературного розшарування, слабо впливає на магнітні характеристики сплаву. Крім того, фаза, в якій впорядкування відбувається по типу ближнього порядку.

Нами розглянуто метод розрахунку рівноважних значень параметру парних магнітних кореляцій для деяких фіксованих значень параметру атомного впорядкування, що моделюють різні термічні обробки сплаву Fe_0,5Co_0,5 (рис.44.2). Мінімум вільної енергії, тобто рівноважний стан, відповідає значенням

; .

Рис.44.2. Залежність рівноважних значень параметру парних магнітних кореляцій від величини параметру атомного ближнього порядку.

Як видно з представлених на рис.44.2 результатів, зміна параметру (_а = 0) від значення -0,25, що відповідає максимальному ближньому порядку, до значення 0,25, що відповідає повному атомному розшаруванню, слабо впливає на величину рівноважного параметру магнітних кореляцій . Таким чином, першопринципні розрахунки, проведені в даній роботі, підтверджують висновки роботи [31, 32].

Дослідимо вплив атомного впорядкування на магнітне впорядкування сплаву Fe_0,5Co_0,5. На рис.44.2 маркером представлено рівноважне значення параметру парних магнітних кореляцій для системи з далеким атомним порядком _а = 0,9 (_а = 0). Як видно, встановлення далекого атомного порядку призвело б до пригнічення магнітних кореляцій в сплаві Fe_0,5Co_0,5. Проте, вільна енергія цього стану на 0,6% вище енергії стану з ближнім атомним порядком, тобто в даному сплаві магнітне впорядкування перешкоджає максимальному атомному впорядкуванню. Це узгоджується з відомими ефектами взаємного впливу атомного і магнітного порядків в бінарних сплавах [34].

Залежність вільної енергії сплаву Fe_0,5Co_0,5 від величини параметрів атомного впорядкування наведена на рис.44.3. Варто відмітити, що значення вільної енергії, які відповідають точкам на графіку з _а = 0, відрізняються від значення вільної енергії для рівноважного стану більше ніж на 6%. Це можна розглядати як тенденцію до співіснування в системі Fe_0,5Co_0,5 областей, що впорядковані по типу ближнього і дальнього порядку.

Рис.44.3. Залежність вільної енергії сплаву Fe_0,5Co_0,5 від величини параметрів атомного впорядкування.

Таким чином, запропонований метод дозволяє встановити взаємозв’язок між зміною властивостей кристалів у зовнішньому магнітному полі та зміною їх електронної структури, а також передбачати магнітні характеристики кристалів шляхом розрахунку їх електронної структури.