20.15. Феромагнітні домени, стінки Блоха

Феромагнетики навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля спонтанно розбиваються на домени⁴⁷ - окремі області намагнічені до насичення внаслідок паралельної орієнтації спінів під дією обмінних сил. Поява доменів це вторинний ефект, зв'язаним з переходом кристала до стану з меншою вільною енергією. Існування доменів експериментально доведено за допомогою просторового розподілу порошинок на поверхні феромагнітних кристалів. Порошинки магнітних матеріалів затягуються в області з великим градієнтом магнітного поля, який виникає на границях доменів з різною орієнтацією магнітних моментів.

Рис. 20.25. Поділ на домени.

Домени з’являються внаслідок того, що при поділі кристала на два домени з протилежно орієнтованими векторами спонтанної намагніченості відбувається зменшення магнітної енергії кристала, бо частина магнітного потоку, що виходить із одного домену, замикається на інший домен. При поділі на домени відбувається, як це показано на рис.20.25, зменшення просторової протяжності магнітного поля. Поява кінцевих замикаючих доменів (рис.20.25.г) ще більше зменшує протяжність магнітного поля і його енергію.

Між сусідніми доменами утворюються доменні стінки - області скінченої товщини, в яких відбувається зміна орієнтації електронних спінів на 180⁰. Доменна стінка, в якій спіни змінюють свій напрям на протилежний в площині, паралельній грані кристала (тобто спіни обертаються в площині, паралельній до грані кристала рис.20.26), називається доменною стінкою Блоха.

Рис. 20.26. Доменна стінка Блоха.

Товщина доменної стінки визначається конкуренцією неоднорідної обмінної взаємодії і магнітної анізотропії. Магнітною анізотропією називається залежність намагнічування в кристалі від напрямку. Однією з причин появи магнітної анізотропії - є спін - орбітальний зв'язок і зв'язок орбітальних моментів атомів з кристалічною ґраткою за рахунок існуючих в ній електростатичних полів і перекриття хвильових функцій. Енергія анізотропії намагається зменшити бо вона в першому наближенні пропорційна об'єму шару речовини. Енергія анізотропії дорівнює добутку константи анізотропії К та обєму стінки . Обмінна взаємодія намагається збільшити бо при цьому зменшуються кути між сусідніми спінами в стінці, що згідно (20.66), зменшує обмінну енергію. При малому куті між сусідніми спінами обмінна енергія збільшується на Збільшення енергії в ланцюжку з спінів, в якому спіни повертаються на кут , дорівнює Збільшення обмінної енергії на одиницю площі доменної стінки становить Повна енергія одиниці площі стінки є сумою цих енергій

. (20.67)

Вона має мінімум, коли dE/dN = 0, тобто при товщині стінки

. (20.68)

Наприклад, для вона становить ~ 300 атомних шарів

Рис. 20.26. Стани намагнічування а) – не намагнічений, б) - зміщення доменних стінок, в) - обертання доменів, г) - однодоменність.

Поділ феромагнетика на домени продовжується до тих пір, поки зменшення його магнітної енергії не стане сумірним з мінімальною енергією доменних стінок. У заліза розміри доменів знаходяться приблизно в межах 0,01  0,1 мкм. При цьому досягається рівноважна магнітна структура, при якій зменшення магнітної енергії через появу оптимальної кількості доменів з доменними стінками і появу додаткових замикаючих доменів компенсується зростанням енергії доменних стінок та пружної енергії кристала, яка викликається деформацією замикаючих доменів.

Процеси намагнічування багатодоменних феромагнетиків пояснюються, в основному, зміною їхньої доменної структури у зовнішньому магнітному полі. При цьому відбуваються такі процеси зміщення доменних границь, коли збільшуються розміри доменів з вектором паралельним вектору , і зменшуються розміри доменів з антипаралельним до (рис.20.24), обертання вектора спонтанної намагніченості в напрямку магнітного поля і парапроцеси, які виникають в сильних полях через додаткову орієнтацію спінів, котрі за рахунок теплового руху не повністю орієнтовані. На рис.20.27 наведена типова залежність намагніченості від зовнішнього магнітного поля. На ній вказані окремі області намагнічування.

Рис. 20.27. Крива намагнічування. На вставці - збільшена ділянка залежності із сходинками.

При малих відбувається зворотне зміщення доменних стінок (область 1 на рис.20.27). Коли енергія магнітного поля стає більшою за енергію необхідну для подолання зв’язку доменних границь із їхніми стопорами (дефектами ґратки), відбувається незворотне зміщення доменних стінок, область 2 на рис. 20.27. Для того щоб зсунути доменну границю до її початкового стану в області незворотного зміщення границь, необхідно прикласти магнітне поле зворотного знака. Крива в цій області має сходинковий характер, що вказує на необхідність подолання стопорів руху стінок (вставка на рис.20.27). В третій області не паралельні магнітному полю магнітні моменти доменів повертаються так, щоб стати паралельними . Вона називається областю намагнічування за допомогою процесів зворотного або не зворотного поворотів доменів. При подальшому збільшенні намагніченість прямує до насичення В цьому стані феромагнетик наближається до однодоменного стану. Насичення не повне, бо йому протидіє тепловий розкид намагніченості, з яким зв’язані парапроцеси. При зменшенні до 0 у зразку залишається залишкова намагніченість, яка виникає внаслідок двох причин: незворотності процесів зміщення доменних стінок та обертання доменів і зародження доменів зворотної намагніченості. Тому для розмагнічування зразка необхідно прикласти скінчене магнітне поле в напрямку протилежному намагніченості, яке називається коерцитивною силою . У магнітомяких матеріалах, таких як супермалой (сплав ), і , а у магнітожорстких матеріалах, таких як

В однорідних однодоменних плівках, в яких відбувається обертання вектора , петля гістерезису прямокутна. Наявність у феромагнетику неоднорідностей, дефектів, домішок, напружених областей, тощо впливає на енергію доменних стінок, внаслідок чого затримується перемагнічування і змінюється форма петлі гістерезису. Вона починає сильно відрізнятись від прямокутної. Граничне значення коерцитивної сили для даного матеріалу, що дорівнює його полю анізотропії, можна отримати в однодоменних зразках. Його перемагнічування - це незворотне обертання вектора спонтанної намагніченості.

В тонких магнітних плівках, товщина яких менша за розмір стінки Блоха виникають стінки перпендикулярні до площини плівки. Крім того, тонка плівка має одновісну анізотропію. Її вісь легкого намагнічування знаходиться в площині плівки. Напрямок осі в плівці встановлюють за допомогою напилення плівок у магнітному полі або при наступному їх відпалі в магнітному полі. Такі плівки мають майже прямокутну петлю гістерезису. Їхнє перемагнічування здійснюється одночасним, досить швидким (~ 10^-9с), когерентним обертанням спінів.