약강자성

약강자성(약함 긍지 탓)은 물질이 가지는 자성의 일종이다. 이전에는 기생 강자성등이라고도 불린 자성이며, 그 기구가 해명된 현재는 경각반강자성이라고도 불린다.정확하게 말하면 양자가 지시하는 범위는 반드시 완전하게 일치하는 것이 아니고, 약강자성체의 일종으로서 경각반강자성체가 있는 것은 있지만, 약강자성체의 대부분은 경각반강자성체이다.이하에 대해도 주로 통상의 경각반강자성체에 관해서 기술한다.

약강자성의 특징은 물질의 반강자성 전이와 동시에 나타나는 극히 몇 안 되는 강자성에 있어, 전이 온도 이하로는 마치 반강자성체에 극히 소량의 강자성체가 혼입해 있을 것 같은 자성을 나타낸다.즉, 그 자화 과정에 대하고, 저자장측에서는 히스테리시스 루프를 수반하는 급속히 포화하는 자화(다만 본래의 포화 자화보다는 아득하게 낮은 값으로 포화한다)를 나타내, 그 이후의 고자장측에서는 반강자성체적인(다만 저자장측의 강자성 성분의 분이나 올려 된) 천천히 증가하는 자화를 나타낸다.그렇지만 그것이 단순한 강자성 불순물의 혼입등이 아닌 것은, 강자성이 나타나는 전이 온도가 반강자성의 전이 온도에 완전하게 일치하고 있는 것등에서 분명하다.당초 생각할 수 있던 기구는, 반강자성체의 내부에 몇개의 격자 결함이 존재해, 반강자성 전이와 함께 이 격자 결함에 인접하는 페어를 잃은 잉여의 스핀이 강자성을 나타내고 있는 것은 아닐까 말하는 것이었지만, 어느 특정 방향을 향한 스핀에 대응하는 부격자만이 결함을 가지지 않으면 안 되는 것이나, 실제의 샘플로 관찰되는 자발자화의 크기가 격자 결함의 양에 거의 의존하지 않는 것으로부터 이 모델은 부정되었다.

현재는, 약강자성은 주로 쟈로신스키 모리야 상호작용인가, 1 이온 이방성에 유래하는 것이 알려져 있다.

목차

쟈로신스키 모리야 상호작용

이 약강자성, 특히 당시 잘 알려져 있던α-Fe₂O₃나 MnCO₃, CoCO₃의 약강자성에 쟈로신스키(I. Dzyaloshinsky)가 이론적인 설명을 준 것은 1958년의 일인[¹].그는 결정이 가지는 대칭성으로부터의 고찰에 의해, 전술의 약강자성체에 대해 반드시 스핀이 완전하게 반평행이 되지 않고, 조금 기울어도 좋은 것을 나타내 보였다.즉, 통상의 반강자성체에 대하고는 두 개의 부격자가 존재해, 각각이 완전하게 역방향(예를 들면 0도 방향과 180도 방향)을 향하지만, 결정의 대칭성에 따라서는 이 두 개의 부격자의 방향이 조금 어긋나 예를 들면 5도 방향과 175도 방향을 향하는 일이 용서된다.이 경우, 양부격자의 자화는 완전하게는 지워져서 두, 90도 방향으로 지워져서 하지 않고서 남은 자화가 자발자화로서 나타나게 된다.이것이 경각반강자성이라고 해지는 유래이다.그 후, 이와 같은 조금 기울이는 상호작용에 대해 모리야가 분자 궤도론적, 미시적인 입장으로부터 설명을 주었다.^[2][3]

통상의 교환 상호작용에 대하고는 스핀간의 상호작용은 1다음 섭동이며, 스핀의 내적 S₁・S₂에 비례하는 형태로 쓸 수 있다.이 때문에 스핀 페어는 평행, 혹은 반평행(어느 쪽이 에너지가 낮은가는 궤도의 겹쳐에 의존한다)의 경우에 에너지가 최저가 된다.한편 모리야가 나타내 보인 것은, 스핀-궤도 상호작용을 고려한 2다음 섭동(스핀-궤도 상호작용으로 스핀이 여기해, 이것과 인접하는 스핀이 상호작용 하는 항등)에 대해 최종적으로 상호작용이 스핀의 외적S₁×S₂에 비례하는 항이 되어, 스핀끼리가 90도의 각도를 가질 때 에너지가 최저가 된다고 하는 것이다.이 상호작용은 두명의 이름을 취해 쟈로신스키 모리야 상호작용(DM상호작용)으로 불린다.실제의 계에 대하고는 DM상호작용에 가세해 통상의 교환 상호작용도 일하기 위해, 스핀끼리는 90도는 아니고 180도와 90도의 어딘가( 양상호작용의 힘의 비에 의존한다)를 향하게 된다.덧붙여 DM상호작용은 상호작용 하는 2 스핀 사이트의 대칭성에 강하게 의존한다.예를 들면 잘 알려진 것처럼, DM상호작용은 스핀의 교체에 대해서 반대칭이 아니면 안되지만, 만약 상호작용 하는 2 사이트간에(결정 학문적으로) 반전 대칭이 존재하는 경우는 반전 조작은 스핀의 교체에 동일해진다.이 경우, 결정의 대칭성에서는 반전 조작=스핀의 교체에 대해서 DM상호작용의 하미르트니안은 불변일 필요가 있어, 한편 DM상호작용 그 자체의 요청으로서는 스핀의 교체에 대해서 반대칭이 아니면 안되어, 양쪽 모두를 채우는 유일한 해로서 DM상호작용은 제로가 될 필요가 있다.즉, 어느 2개의 스핀간에 DM상호작용이 일하기 위해서는, 양자간에 반전 대칭성이 존재해서는 안 된다.

1 이온 이방성

예를 들면 결정이 있는 일종의 스핀원으로부터 되는 경우에서도, 단위격자중에 2개 이상이 다를 방향을 향한 스핀원이 포함되는 경우는 약강자성을 일으킬 가능성이 있다.예로서 단위격자중에 같은 착체를 두 개 포함하지만, 그 착체의 이방성축(스핀의 향하기 쉬운 용이 축으로 한다)이 하나는 a축방향(착체 A), 하나 더가 a축방향에서 5도만 b축방향으로 기운(착체 B) 계를 생각한다.이 두 개의 착체가 각각 다른 부분 격자를 만들어, 그것들 부분 격자가 반강자성적으로 결합되고 있다고 한다.이 경우, 착체 A의 스핀이 제일 향하기 쉬운 a축방향을 향했다고 하면, 착체 B는 반강자성적으로 결합되기 위해—a방향을 저 편으로 한다.그러나, 착체 단체로의 이방성적으로는—a축으로부터 5도만 기우는 것이 에너지는 낮아진다.이 둘, 상호작용의 안정화와 1 이온으로서의 안정화의 에너지가 경합 하기 위한(해), 실제로는 양자의 중간적인 방향을 스핀이 향해 타협하게 된다.이 미묘한 기울기가, 다른 단위격자중의 스핀이 기운 방향과 일치하면 약강자성이 나타나는 것으로 있다.덧붙여 이 단위격자로의 잉여의 자화가, 인접하는 격자끼리로 서로 지우도록(듯이) 줄선 경우도 있어, 그 경우는 자발자화는 생기지 않는다(다만, 내부의 국소적으로는 자화가 발생하고 있기 때문에, 단순한 반강자성체와는 또 조금 다른 거동을 나타낸다).다만, 1 이온 이방성에 의한 약강자성이 발생 할 수 있는 경우에는, 그것들 스핀간에 반전 대칭이 없기 때문에 동시에 DM상호작용이 기여하고 있을 가능성도 부정 다 할 수 없는 것에는 주의를 필요로 한다.

그 외의 원인의 가능성

이것들 둘이 주된 약강자성의 원인이지만, 그 밖에도 몇개의 상호작용의 경합(다른 경로에서의 반강자성 상호작용이 경합 해, 모든 패스로 최저 에너지가 되는 것 같은 배치가 용서되지 않기 위해(때문에) 타협으로서 어중간한 각도를 향한다), 도프등에 의해 조금 생긴 캐리어의 강자성(캐리어수가 적기 때문에, 약강자성적으로 약한 자화만이 생긴다), g치가 미묘하게 다른 착체간에 스핀이 완전하게 지워져서 두조금 자발자화가 생기는 경우등도 생각할 수 있다.

출전

1. ^ J. Phys. Chem. Solids, 1958, vol. 4, 241-255.
2. ^ Phys. Rev., 1960, vol. 117, 635-647.
3. ^ Phys. Rev., 1960, vol. 120, 91-98.

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