Тут мені хотілося б розповісти про деякі більш екзотичні магнітні матеріали. У періодичній таблиці є чимало елементів, що мають незаповнені внутрішні електронні оболонки, а отже, і атомні магнітні моменти. Так, одразу за феромагнітними елементами — залізом, нікелем і кобальтом — ви знайдете хром і марганець. Чому ж вони не феромагнітні? Відповідь полягає в тому, що у виразі (37.1) член з λ для цих елементів має протилежний знак. У ґратці хрому, наприклад, напрями магнітних моментів атомів чергуються один за одним (фіг. 37.13, б). Так що зі свого погляду хром все ж таки «магнетик», але з погляду технічних застосувань це не становить інтересу, оскільки не дає зовнішнього магнітного ефекту. Таким чином, хром — приклад матеріалу, в якому квантовомеханічний ефект спричиняє чергування напрямів спінів. Такий матеріал називається антиферомагнетиком. Впорядкування магнітних моментів в антиферомагнітних матеріалах залежить і від температури. Нижче критичної температури всі спіни вишиковуються в чергуючійся послідовності, але якщо матеріал нагрітий вище певної температури, яка й досі називається температурою Кюрі, напрями спінів раптово стають випадковими. Цей різкий внутрішній перехід можна спостерігати на кривій питомої теплоємності. Він проявляється ще в деяких особливих «магнітних» ефектах. Наприклад, існування чергуючихся спінів можна перевірити за розсіянням нейтронів на кристалі хрому. Нейтрон сам по собі має спін (і магнітний момент), тому амплітуда його розсіяння різна залежно від того, чи паралельний його спін спіну розсіювача, чи протилежний. У результаті нейтронна інтерференційна картина для чергуючихся спінів відрізняється від картини при випадковому їх розподілі.
Існує ще один сорт речовин, у яких квантовомеханічний ефект призводить до чергуючихся спінів електронів, але які тим не менш є феромагнетиками, тобто їхні кристали мають постійну результуючу намагніченість. Ідея, що лежить в основі пояснення властивостей таких матеріалів, ілюструється схемою на фіг. 37.14. На схемі показана кристалічна структура мінералу, відомого під назвою шпінель (MgOAl2O3), який, як це показано, не є магнетиком. Цей мінерал містить два сорти металевих атомів — магній та алюміній. Якщо тепер замінити магній і алюміній магнітними елементами типу заліза, тобто замість немагнітних атомів вставити магнітні, то вийде найцікавіший ефект. Назвімо один сорт атомів металу a, а інший сорт — b; необхідно розглянути різні комбінації сил! Існує взаємодія a—b, яка намагається спрямувати спіни атома a і атома b протилежно, бо квантова механіка завжди вимагає, щоб спіни були протилежні (за винятком таємничих кристалів заліза, нікелю й кобальту). Потім існує взаємодія a—a, яка намагається спрямувати протилежно спіни атомів a; крім того, є ще взаємодія b—b, яка намагається спрямувати протилежно спіни атомів b. Звісно, зробити все протилежним усьому (а протилежно b і a протилежно a і b протилежно b) неможливо. Очевидно, завдяки віддаленості атомів a і присутності атомів кисню (достеменно ми не знаємо чому) виявляється, що взаємодія a—b сильніша за взаємодії a—a і b—b. Словом, природа в цьому випадку скористалася розв'язком, у якому спіни всіх атомів b паралельні один одному, а всі атоми а теж паралельні один одному, але між собою ці дві системи спінів протилежні. Такий устрій завдяки сильнішій взаємодії a—b відповідає найнижчій енергії. У результаті спіни всіх атомів a спрямовані вгору, а спіни всіх атомів b — вниз (може бути, звісно, і навпаки). Але якщо магнітні моменти атомів a і атомів b не рівні один одному, то утворюється картина, показана на фіг. 37.13, в: матеріал може виявитися спонтанно намагніченим. При цьому він буде феромагнетиком, хоча й дещо слабшим за справжній. Такі матеріали називаються феритами. У них з очевидних причин намагніченість насичення не така велика, як у заліза, тому вони корисні лише при слабких магнітних полях. Але вони мають дуже важливу перевагу — це ізолятори, тобто ферити є феромагнітними ізоляторами. Вихрові струми, що створюються в них високочастотними полями, дуже малі, тому ферити можна використовувати, скажімо, у мікрохвильових системах. Мікрохвильові поля здатні проникати всередину таких непровідних матеріалів, тоді як у провідниках типу заліза цьому перешкоджають вихрові струми.Існує ще один вид магнітних матеріалів, відкритих зовсім недавно, — це члени родини зі структурою ортосилікатів, які називають гранатами. Це теж кристали, у ґратці яких містяться два сорти металевих атомів; тут ми знову стикаємося із ситуацією, коли обидва сорти атомів можна замінювати майже за бажанням. Серед безлічі складів, що нас цікавлять, є один, який має феромагнетизм. У структурі гранату він містить атоми ітрію і заліза, і причина його феромагнетизму досить цікава. Тут знову за квантовою механікою сусідні спіни протилежні, так що це знову замкнена система спінів, у якій електронні спіни іонів заліза спрямовані в один бік, а електронні спіни іонів ітрію — у протилежний. Але атоми ітрію дуже складні. У їхній магнітний момент великий внесок вносить орбітальний рух електронів. Внесок орбітального руху для ітрію протилежний внеску спіна, і, крім того, він більший за нього. Таким чином, хоча квантова механіка, спираючись на свій принцип заборони, прагне спрямувати спіни іонів ітрію протилежно спінам іонів заліза, результуючий магнітний момент ітрію в результаті орбітального ефекту виявляється паралельним спінам іонів заліза. І сполука працює як справжній феромагнетик.
Інший цікавий приклад феромагнетизму дають деякі рідкісноземельні елементи. Тут ми стикаємося з ще більшими дивностями в розташуванні спінів. Ці метали не феромагнетики в тому сенсі, що всі спіни в них паралельні, і не антиферомагнетики в тому сенсі, що спіни сусідніх атомів протилежні. У цих кристалах усі спіни в одному шарі паралельні й лежать у площині шару. У наступному шарі всі спіни знову паралельні один одному, але дивляться вже в дещо іншому напрямі. У наступному шарі вони теж спрямовані в інший бік і т. д. У результаті вектор локального намагнічування (у шарах) змінюється по спіралі: магнітні моменти послідовних шарів повертаються під час руху навколо лінії, перпендикулярної до шарів. Цікаво спробувати проаналізувати, що виходить, коли до такої спіралі прикладається поле, знайти всі скручування й повороти, які повинні відбуватися з усіма цими атомними магнітиками. (Деякі люди просто захоплені теоріями подібних речей!) У природі трапляються не лише «плоскі» спіралі, але існують ще випадки, коли напрями магнітних моментів послідовних шарів утворюють конус, так що в них є не лише спіральна компонента, а й однорідна феромагнітна компонента в тому самому напрямі!
Магнітні властивості матеріалів на вищому рівні, ніж займалися ми з вами, зачаровують багатьох фізиків. Перш за все цим захоплюються люди практичного складу, які люблять вигадувати способи покращувати різні речі; їм подобається винаходити досконаліші й цікавіші магнітні матеріали. Відкриття таких матеріалів, як ферити, чи їх застосування негайно привело в захват тих, хто вишукує нові хитрі шляхи зробити речі досконалішими. Але є ще люди, які знаходять зачарування в тій жахливій складності, яку природа створює на основі лише кількох фундаментальних законів. На основі однієї й тієї самої загальної ідеї природа від феромагнетизму заліза і його доменів дійшла до антиферомагнетизму хрому, магнетизму феритів і гранатів, до спіральної структури рідкісноземельних елементів і крокує все далі й далі. Як же приємно експериментально відкривати всі ці дивні явища, приховані в подібних особливих речовинах! А фізикам-теоретикам феромагнетизм подарував цілий ряд найцікавіших ще не розв'язаних красивих проблем. Одна з них: чому взагалі існує феромагнетизм? Інша — вивести статистику взаємодіючих спінів в ідеальній ґратці. Навіть якщо знехтувати додатковими ускладненнями, ці проблеми досі не піддаються повному розумінню. Причина, з якої вони такі цікаві, — дивовижна простота постановки задачі: у правильній ґратці задано безліч електронних спінів, що взаємодіють за таким-то і таким-то законом; що з ними зрештою відбувається? Поставити-то задачу було легко, а от повному аналізу вона не піддавалася багато років. І хоча для температур, не надто близьких до точки Кюрі, її було проаналізовано доволі ретельно, теорія раптового переходу в точці Кюрі досі ще чекає свого розв'язання.
Нарешті, задача про поведінку систем атомних магнітиків: і феромагнетизм, і парамагнетизм, і ядерний магнетизм — винятково корисні речі для студентів-фізиків старших курсів. Зовнішнім магнітним полем на систему спінів можна впливати і так і сяк, тому можна вигадати безліч фокусів з резонансами, процесами релаксації, спіновим відлунням та іншими ефектами. Ця задача слугує прототипом багатьох складних термодинамічних систем, з тією перевагою, що в парамагнітних матеріалах становище зазвичай набагато простіше, і дослідники із задоволенням ставлять тут експерименти й пояснюють явища теоретично.
Ми завершуємо наше вивчення електрики й магнетизму. У розд. 1 (вип. 5) ми говорили про великий шлях, пройдений з часів, коли давні греки спостерігали дивну поведінку бурштину й магнітного залізняку. Але ще ніде в наших довгих і заплутаних міркуваннях ми не пояснили, чому, коли ми натираємо шматок бурштину, на ньому виникає заряд, не пояснили ми й того, чому намагнічений природний магнітний залізняк! Ви можете заперечити: «Нам просто не вдалося отримати правильний знак». Ні, справа стоїть набагато гірше. Якби ми все-таки отримали правильний знак, все одно залишилося б питання: чому шматок магнітного залізняку в землі виявився намагніченим? Звісно, існує магнітне поле Землі, але звідки взялося це магнітне поле Землі? Ось цього-то насправді ніхто й не знає, і доводиться задовольнятися лише деякими правдоподібними здогадками. Так що, як бачите, наша хвалена сучасна фізика — суцільне ошуканство: почали ми з магнітного залізняку й бурштину, а закінчили тим, що не розуміємо достатньо добре ні того, ні іншого. Зате в процесі вивчення ми дізналися величезну кількість дивовижних і дуже корисних для практики речей!