11.2. Доменная структура

Образование доменной структуры ферромагнетика также связано с условием минимума энергии системы. Образование доменной структуры является естественным следствием наличия различных конкурирующих вкладов в полную энергию ферромагнитного тела ‒ обменной энергии, магнитной энергии и энергии анизотропии. Действительно, пусть в некоторой области ферромагнетика под влиянием обменных сил спины всех электронов недостроенных оболочек атомов параллельны друг другу. Если допустить, что и в соседних областях возникает такая же ориентация спинов, то на концах ферромагнетика возникают магнитные полюса, создающие внешнее магнитное поле. Поле обладает определенной потенциальной энергией, и такое однодоменное состояние энергетически невыгодно и является неустойчивым. Наиболее устойчивым будет состояние, когда соседние области намагничены противоположно друг другу и при этом магнитный поток замыкается внутри образца, а за пределами его магнитного поля нет. Происхождение доменов легко понять из рассмотрения схематических структур, показанных на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Схематическое изображение процесса образования доменов

На рис. 11.6,а имеем один домен, приводящий к большой величине магнитной энергии. При образовании двух доменов (см. рис. 11.6,б) магнитная энергия примерно вдвое меньше, чем в предыдущем случае, а при разбиении образца на N доменов магнитная энергия уменьшается в N раз. Доменные структуры, изображенные на рис. 11.6,г, имеют нулевую магнитную энергию. Анализ показывает, что на начальном этапе формирования домена преобладают силы обменного взаимодействия и спины электронов недостроенных оболочек атомов выстраиваются параллельно. С увеличением размера домена возрастают силы магнитного взаимодействия, противодействующие ориентирующим обменным силам. Размер домена достигает некоторой критической величины, когда магнитное взаимодействие становится определяющим и спины соседней прилегающей области ферромагнетика выстраиваются антипараллельно. Критический размер домена составляет величину порядка нескольких микрон. Следовательно, при отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнетик должен состоять из большого числа небольших областей ‒ доменов, намагниченных до насыщения. Переходной слой между доменами, в котором спин последовательно поворачивается на 180°, т.е. переходит от ориентации, свойственной одному домену, к ориентации другого домена, называется «стенкой Блоха». Толщина стенок составляет несколько сотен межатомных расстояний [40, 41].

В отсутствие магнитного поля спонтанное намагничивание в домене осуществляется вдоль определенных направлений, направлений легкого намагничивания, при котором затрачивается минимальная энергия. Помимо обменного взаимодействия ферромагнетика в кристалле возникает, как мы упоминали ранее, взаимодействие спиновых магнитных моментов соседних атомов. Это взаимодействие проявляется и в том случае, когда все спины ориентированы строго параллельно друг другу, но направление этого упорядочения не параллельно кристаллографическим осям. При наличии такого взаимодействия результирующий магнитный момент располагается в кристалле вдоль некоторых преимущественных направлений. Добавочная энергия, требуемая для намагничивания кристалла в каком-либо направлении по сравнению с энергией, затрачиваемой на намагничивание образца вдоль оси легкого намагничивания, называется энергией магнитной анизотропии.

Одной из причин магнитной анизотропии является асимметрия перекрытия электронной плотности соседних атомов. Вследствие спин-орбитального взаимодействия распределение электронной плотности не сферическое. Асимметрия связана с направлением спина, ибо изменение направления спина по отношению к осям кристалла изменяет обменную энергию, а также электростатическую энергию взаимодействия электронов соседних атомов. Именно эти эффекты приводят к появлению энергии анизотропии.

Направление легкого намагничивания в кристалле железа, элементарная ячейка которого представляет объемно-центрированный куб, будет (100), а, например, у никеля, элементарная ячейка которого является гранецентрированным кубом, направление легкого намагничивания совпадает с диагональю куба (111). При этом домены ориентируются друг относительно друга таким образом, чтобы суммарный магнитный момент ферромагнитного образца был равен нулю (рис. 11.7,а).

Рис. 11.7. Схематическое изображение процесса намагничивания ферромагнетика.