2.2.5.Косвенное спиновое взаимодействие

Спиновое взаимодействие между подобными ионами осуществляется посредством возмущения состояний электронов на промежуточных атомах, общих для этих ионов. Если обобществленные электроны (электроны в молекулах, образованных ковалентной, принадлежащие не какому-то одному из атомов этой молекулы, а молекуле в целом) находятся, например, на немагнитных анионах (F^-, O^2- , S^2-, Se^2- и др.), участвуя в химической связи между одинаковыми магнитными ионами M (типа М³⁺—An—M³⁺ и М⁴⁺—An— М⁴⁺ в перовскитах (CaTiO₃), LaMO₃ и СaMO₃ или Сr³⁺—F–—Cr³⁺ в CrF₃), то возникает перекрытие орбиталей электронов, локализованных на магнитных ионах. В этом случае возможен перенос электрона от одного иона на другой с кинетической энергией t.

Оказываясь на занятой орбитали другого иона, электрон с противоположным спином приобретает дополнительную энергию электростатического отталкивания U >> t, и энергия электронной пары определяется конкуренцией между кинетической энергией переноса и энергией отталкивания электрона на одной орбитали:

E=2αt+α²U

(α – перекрывание орбиталей локализованных электронов). Минимизация дает энергию, необходимую для разупорядочения спинов:

E = –t²/U.

2.3.Магнитные материалы

Существует много приборов, основанных на магнитных материалах. В основном это устройства магнитной памяти. Магнитные материалы в других областях микро- нано- электроники не получили широкого распространения т.к. обычная электроника работает со статистическим ансамблем электронов, а следовательно работают законы статики и классической физики. Уменьшение размеров приводит к появлению размерных эффектов, начинает проявляться принцип неопределенности.

2.3.1.Основные характеристики

Все вещества в природе являются магнетиками, т. е. обладают определенными магнитными свойствами и взаимодействуют с внешним магнитным полем. Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем, что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты. Вращательное движение электронов вокруг ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создает магнитное поле. Магнитный момент, создаваемый магнитным полем, является векторной величиной, направлен от южного полюса к северному и называется орбитальным. Электрон имеет магнитный момент, который называется спиновым. Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше магнитных моментов электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов.

Магнитные свойства материалов определяются:

1. магнитной восприимчивостью на единицу объема χ = М/Н (где М – магнитный момент единицы объема, или намагниченность; Н – внешнее магнитное поле, А/м в СИ);

2. относительной магнитной проницаемостью μ = В/μ̣₀Н (где В – магнитная иидукция, Тл; μ₀ – магнитная постоянная, равная 4 π · 10^-7 Гн/м);

3. температурой (точкой) Кюри, при нагреве до которой они переходят в парамагнитное состояние, т. е. теряют магнитные свойства.

Кроме того, магнитные свойства материалов характеризуются зависимостью магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н, называемой кривой намагничивания. Во многих случаях для получения кривой намагничивания в качестве исходного принимают размагниченное состояние вещества, при котором в отсутствие внешнего магнитного поля индукция равна нулю. При цикличном перемагничивании кривая намагничивания образует петлю гистерезиса (рис. 3).

Рис.3

Основными характеристиками петли гистерезиса являются остаточная индукция Вн, коэрцитивная сила Нк и площадь, характеризующая потери на гистерезис.

Остаточная индукция Вн – это индукция, которая остается в предварительно намагниченном образце после снятия внешнего магнитного поля.

Коэрцитивная сила Нк – это размагничивающее поле, которое должно быть приложено к предварительно намагниченному образцу, чтобы его индукция стала равной нулю.

Форма петли гистерезиса конкретного материала зависит от максимальной напряженности магнитного поля. При слабых полях она имеет форму эллипса, а с увеличением поля у нее начинают вытягиваться «носики», соответствующие точкам Вм и -Вм.

Некоторые магнитные материалы специального назначения имеют прямоугольную петлю гистерезиса (ППГ). В зависимости от магнитных свойств, все материалы можно разделить на три группы:

• диамагнетики,

• парамагнетики,

• обладающие упорядоченной магнитной структурой.