МАГНИТНАЯ ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА

- совокупность макроскопич. областей (доменов)магнитоупорядоченного вещества, отличающихся, в зависимости от конкретного типа магн. упорядочения, направлениемнамагниченностиМ,вектораантиферромагнетизмаLили направлениямиМиLодновременно (а также размером, формой и др. особенностями, связанными, в частности, с кристаллографич. структурой образца и геометрией его поверхности).

М. д. с. существует при темп-pax ниже темп-рымагнитного фазового переходав магнитоупорядоченное состояние и в определ. интервалах значений напряжённости внеш. магн. поля.

Равновесная М. д. с. определяется минимумом полной энергии магнетика, включающей энергиюобменного взаимодействия, магнитной анизотропии,магнитостатич. и магнитоупругую энергию.

В общем случае на тип М. д. с. существенное влияние оказывают: особенности магн. анизотропии (числоосей лёгкого намагничивания);ориентация ограничивающих кристалл поверхностей относительно кристаллографич. осей; форма и размеры образца, а также всевозможныедефекты -магн. и немагн. включения,дефекты упаковки,границы двойников (см.Двойникование), дислокациии др.

Наиб. изучена М. д. с. в ферромагнетиках (ФМ). Представление о магн. доменах в ФМ введено8 в 1907 П. Вейсом (P. Weiss). Появление М. д. с. в ФМ п8риводит к уменьшению его магнитостатич. энергии - результирующий магн. момент ферромагн. образца значительно уменьшается или оказывается равным нулю.

Согласно теоретич. представлениям, обменное взаимодействие выстраивает элементарные магн.моменты ФМ параллельно друг другу. Результирующий магн. момент единицы объёма ФМ (намагниченностьМ)ориентируется в одном из направлений, соответствующих наим. энергии магн. анизотропии,- вдоль одной из осей лёгкого намагничивания (ОЛН). При этом на поверхностях образца возникаютмагнитные полюсы(магнитостатич. полюсы, рис. 1, а), и при не равном нулю результирующем магн. моменте часть энергии образца оказывается запасённой в его магнетостатич. поле. Эта энергия может быть уменьшена, если часть образца окажется намагниченной в одном, а часть - в др. направлении. При этом образуется М. д. с., простейший тип к-рой (плоскопараллельная структура) представлен на рис. 1,б.Здесь в соседних доменах векторыМориентированы в противоположных направлениях вдоль одной и топ же ОЛН.

Рис. 1.а- Возникновение магнитостатических полюсов (обозначены знаками и ) у однородно намагниченного кристалла;б -образование простейшей плоскопараллельной магнитной доменной структуры, дробящей эти полюсы и уменьшающей магнитостаческую энергию кристалла. ВекторМ -намагниченность кристалла (домена).

При наличии М. д. с. между соседними областями с разными направлениямиМсуществуют переходные области - доменные стенки (ДС) (их наз. также доменными границами), обладающие энергией на единицу площади. Появление М. д. с. возможно лишь в том случае, когда энергия, затраченная на образование ДС, меньше убыли магнитостатич. энергии. Это условие выполняется в кристаллах достаточно больших размеров, больших размера однодоменности (см.Однодоменные частицы).На расстоянияхкороткодействующее обменное взаимодействие играет более важную роль, чем дальнодействующее магнитостатическое, с чем и связана невозможность образования М. д. с. в кристаллах с размерами, меньшими (для Ni, напр.,). Обычно домены в ФМ имеют размеры см.

М. д. с. простейшего вида (рис. 1,б)может существовать в тонких пластинах, а также в глубине массивных кристаллов. В достаточно толстых пластинах вблизи их поверхностей М. д. с. усложняется (ветвится). Такое ветвление показано на рис. 2 для магнитоодноосного кристалла. Причиной ветвления М. д. с. (образования несквозных клиновидных доменов) является уменьшениемагнитостатической энергиипри сохранении доменной структуры в толще образца.

Рис. 2. Ветвление доменов у поверхности массивного магнитоодноосного кристалла:а -стадия образования клиновидных доменов, имеющих обратную намагниченность;б- развитое ветвление в случае, когда векторМпараллелен оси лёгкого намагничивания (ОЛН).

При антипараллельном направлении намагниченностиМв смежных доменах магнитоодноосного ферромагн. кристалла в разделяющей домены стенке векторМповорачивается на 180° (180-градусная стенка). В магнитомногоосных ФМ (Fe, Ni и др.) возможно существование смежных доменов. в к-рых векторыМориентированы под углом друг к другу. Так, в Fe намагниченность доменов может быть направлена вдоль любой ОЛН типа [100]. В разделяющих такие домены стенках поворот вектораМосуществляется на 90° (90-градусные ДС). В Ni и др. кристаллах кубич. системы с ОЛН, параллельными осям типа (111), реализуются 71-и 109-градусные ДС. В нек-рых случаях сосуществования доменов (фаз) с [напр., монокристалл Fe, ограниченный поверхностями (100)] возможна доменная структура с почти полностью замкнутым магн. потоком (рис. 3). В таких ФМ помимо основных существуют замыкающие домены, локализованные вблизи поверхности кристалла.

Рис. 3. Схематическое изображение магнитной доменной структуры с полностью замкнутым потоком, существующей в ферримагнитных монокристаллах, ограниченных поверхностями типа (100). Направления намагниченности доменов показаны стрелками.

У ФМ с замыкающими доменами существование магнитостатич. полюсов связано только с выходом ДС на поверхность кристалла, и в образцах с размерами, превышающими толщину ДС , магнитостатич. энергия не играет существенной роли. Поскольку из-замагнитострикциикаждый домен деформируется в направлении собств. намагниченности, то на стыках доменов с появляются избыточные магнитоупругие напряжения. Т. о., равновесные размеры М. д. с. с замыкающими доменами (рис. 3) определяются минимумом магнитоупругой энергии и энергии ДС. Если поверхности кристалла кубич. системы (сингонии, см.Симметрия кристаллов)не совпадают с плоскостями типа (100), то замыкающие домены имеют более сложную конфигурацию. На рис. 4 представлена замыкающая структура в пластинах с поверхностями типа (110). В пластинах магнитомногоосных кристаллов с плоскостями, слегка наклонёнными к кристаллографич. плоскостям типа (100) или (110), кроме сквозной полосовой М. д. с. наблюдается структура в виде "ёлочек" и "капель" соответственно (рис. 5). Такое усложнение М. д. с. обусловлено уменьшением энергии матнитостатич. полюсов, связанных с выходом ОЛН, а следовательноМ,на поверхность пластины.

Рис. 4. Замыкающая магнитная доменная структура, наблюдаемая в монокристаллических пластинках кремнистого железа (97% Fe- 3% Si)на поверхностях типа (110). Линиями показаны границы доменов.

На М. д. с. в ФМ большое влияние оказывают внеш. воздействия: изменение темп-ры, упругие напряжения и, что особенно важно для приложении, магн. поле (постоянноеНп переменное ).

Рис. 5. Доменная структура кремнистого железа:а -на поверхности, почти параллельной плоскости (100), замыкающие домены имеют вид "ёлочек";б- на поверхности (110), с к-рой ось лёгкого намагничивания [100] составляет небольшой угол, замыкающие домены имеют каплевидную форму (стрелками на поясняющей схеме показано направление намагниченности доменов).

Нагрев и последующее охлаждение образцов (определ. режимы для разных магн. материалов) могут приводить к изменению кристаллич. структуры образцов, а следовательно, и к изменению М. д. с.

Упругие напряжения существенно влияют на М. д. с. лишь в магнитомногоосных кристаллах при наличии в них ДС, отличных от 180-градусных. Под влиянием упругих напряжений может происходить смещение ДС, а также дробление и перестройка М. д. с. После снятия напряжения исходная М. д. с. полностью не восстанавливается. М. д. с. чувствительна также к комбинир. воздействиям темп-ры и магн. поля, а также темп-ры и упругих напряжений. Такие воздействия могут приводить к перераспределению дефектов в кристаллах и к появлению дополнит. анизотропии (т. н. наведённой анизотропии), с чем и связаны изменения М. д. с.

Под действием постоянного внеш. магн. поляНДС смещаются и М. д. с. перестраивается (см.Доменной стенки динамика).При достаточно больших значенияхHМ. д. с. почти полностью исчезает, домены сливаются. СнижениеНвыводит ФМ из состояния магн. насыщения. Вначале вблизи поверхностей кристалла возникают области обратной намагниченности (зародышиперемагничивания),затем нек-рые из них сильно разрастаются, приводя к образованию М. д. с. При выключенииНФМ сохраняет, как правило, остаточную намагниченность и имеет в этом состоянии М. д. с., к-рая может значительно отличаться от М. д. с. полностью размагниченного образца. Такие М. д. с. являются метастабильными. В кристаллах с большими полями анизотропии ( , MnBi и др.) остаточно намагниченное состояние может быть одно-доменным. Существование метастабилыных М. д. с. обусловлено большими энергетич. барьерами, препятствующими образованию зародышей перемагничивания.

В тонкихмагнитных плёнкахполеНможет стабилизировать определённую М. д. с., в частности т. я. ЦМД-структуру (см.Цилиндрические магнитные домены).

Переменное магн. поле дестабилизирует М. д. с. Напр., в поле, поляризованном вдоль ОЛН, доменные стенки колеблются около своего положения равновесия. С увеличением частоты колебанийvполяН -при фиксир. значении амплитуды индукции или с увеличением при фиксир. частоте возможно дробление доменов. Эффект наблюдался, напр., в монокристаллич. пластинах кремнистого железа (97% Fe - 3% Si) на частотах Гц и Тл. ДС в процессе движения могут изгибаться, а их внутр. структура - перестраиваться, напр. за счёт образования вертик. и горизонтальныхБлоха линий.

М. д. с. оказывает влияние на статич. и динамич. свойства ферромагн. кристаллов:коэрцитивную силу,остаточную намагниченность, форму петлигистерезиса магнатного,начальнуюмагнитную проницаемость,магнитные потери, спин-волновые возбуждения (см.Спиновые волны),разл. видымагнитного резонансаи др.

В отличие от ФМ вферримагнетиках(ФРМ) иантиферромагнетиках(АФМ) существует неск.подрешёток магнитных,что вносит своеобразие в их М. д. с. В ФРМ из-за наличия обменного взаимодействия между подрешётками результирующая намагниченность практически не меняется в полях до 10-100 кЭ. В связи с этим магн. свойства ФРМ, в частности образование М. д. с., влияние на неё внеш. факторов, а также способы наблюдения М. д. с., оказываются обычно идентичными свойствам ФМ. В сильных магн. полях (-100 кЭ) ориентация намагниченностей подрешёток относительно друг друга может измениться, напр. коллинеарное положение может стать неколлинеарным. В такой ситуации может возникать т. н. высокополевая М. д. с.

Магнитоупорядоченному состоянию АФМ соответствует значение В связи с этим на поверхностях АФМ нет магнитостатич. полюсов. Тем не менее в них, как и в ФМ, существует М. д. с. Смежные домены в АФМ могут отличаться направлением вектора антиферромагнетизмаL(т. н.S-домены), а также направлениямиLи одной из главных осей тензора деформации (Т-домены, или двойниковые домены). Деформация АФМ, приводящая к образованию двойниковой М. д. с., возникает нижеНееля точки T_N. Как и в ФМ, между доменами в АФМ существуют ДС (180-, 120-, 90-градусные и др.).

Причины образования М. д. с. в АФМ до конца не выяснены. Одна из причин состоит, по-видимому, в появлении и разрастании при зародышей АФМ-фазы со случайными направлениямиL(см.Антиферромагнитные домены).

Образование М. д. с. в АФМ, оправданное энергетически, возможно вблизи точки фазового перехода типа опрокидывания спинов (см.Спин-флоп переход)в присутствии внеш. магн. поля. Однако эти М. д. с. могут существовать лишь в узкой области магн. полей. Такую М. д. с. наз. промежуточным состояв и-е м АФМ.

В антиферромагнетиках сослабым ферромагнетизмом(СФМ) домены могут отличаться ориентацией векторовLиМ, причём возможны две ситуации. В первой из них переход от домена к домену осуществляется путём поворотаLиМ.Такие ДС реализуются, напр., в Во втором случае в ДС происходит поворот вектораLи постепенное уменьшение по абс. величине вектораМдо нуля в центре ДС и последующий его рост от нуля до -Мна участке от центра ДС до соседнего домена (пример - YFeO₃). М. д. с. в СФМ может образовываться за счёт уменьшения энергии магнитостатич. полюсов на поверхностях кристалла. Во многом М. д. с. в СФМ похожа на М. д. с. в ФМ.

М. д. с. может существовать и в веществах со спиральноймагнитной атомной структурой.Так, установлено сосуществование фаз с геликоидальным и веерным типами магн. упорядочения и, как обычно, переход от одной фазы к другой происходит в слое конечной толщины.

К методам эксперим. наблюдения М. д. с. относятся: метод магн. суспензии; методы, основанные наКерра эффекте(для непрозрачных магнетиков) и наФа радея эффекте(для прозрачных магнетиков); электронная микроскопия;магнитная нейтронографияи др.

В методе магн. суспензии (порошковых фигур) выявление М. д. с. основано на преимуществ. осаждении частиц магн. порошка в местах выхода ДС на поверхность образца. Метод позволяет определять конфигурацию доменов вблизи поверхности образца, а также направление проекции их намагниченности вдоль поверхности. В методе, использующем магнитооптич. эффект Керра, определяют изменение поляризации света при отражении от различно намагниченных участков поверхности образца и т. о. выявляют его М. д. с. Эффект Фарадея (поворот плоскости поляризации света, распространяющегося вдоль магн. поля) применим для исследования М. д. с. тонких пластин прозрачных магнетиков (в оптич. и ИК-диапазонах). Этот метод, благодаря высокому разрешению по времени, позволяет изучать динамику М. д. с. Электронная микроскопия и магн. нейтронография являются эффективными методами исследования М. д. с., т. к. электроны и нейтроны обладают собств. магн. моментами и характер рассеяния электронных и нейтронных пучков в магнетиках связан с их М. д. с.

Лит.:Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971, гл. 23; Xуберт А., Теория доменных стенок в упорядоченных средах, пер. с нем., М., 1977; Барьяхтар В. Г., Иванов Б. А., В мире магнитных доменов. К., 1986.

В. Н. Филиппов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.

магнитная доменная структура—magnetic domain structure...Русско-английский словарь по физике