Намагничиваемость. Ультратонкие магнитные плёнки.

Почему постоянные магниты «магнитят» - это очень интересный вопрос. Опыт ясно указывает на то, что магнитное действие порождается движущимися зарядами. А постоянное магнитное действие – постоянно движущимися зарядами. Но не могут в постоянном магните постоянно двигаться заряженные частицы, об этом ещё Максвелл писал: «если бы токи обычного вида протекали вокруг частей магнита заметных размеров, то имелся бы постоянный расход энергии для их поддержания, а магнит бы являлся постоянным источником тепла» [М3]. А других токов, происходящих без движения частиц вещества, официальная физика «в упор не видит», и в ней сговорились считать, что магнитное действие постоянных магнитов обеспечивается собственными магнитными моментами частиц, входящих в состав магнита – причём, главнейший вклад обусловлен, якобы, собственными магнитными моментами электронов, т.е., их спинами. Выше мы уже говорили о том, что спин электрона – это шутка теоретиков (5.5): до сих пор нет ни теоретической модели, поясняющей происхождение собственного магнитного момента у электрона, ни прямых экспериментальных свидетельств о том, что свободный электрон действительно обладает собственным магнитным моментом [Г13]. Для теоретиков спин электрона – это не более чем весёлая математическая стрелочка, маленький вектор магнитного действия. Умение их суммировать уже позволяет щёки надувать: в объёме того или иного домена магнитного образца эти маленькие векторы, якобы, «смотрят» примерно в одном направлении, и их сумма даёт большой вектор магнитного действия этого домена. Только, что мешает этим стрелочкам выстраиваться в немагнитных материалах? – на такие вопросы математика ответов не даёт…

Давайте же вспомним про модель переноса электричества без переноса вещества (9.1), поскольку самое показательное применение этой модели – это как раз объяснение намагничиваемости. Разница между немагнитными материалами и магнетиками, сохраняющими остаточную намагниченность, обусловлена не тем, что в первых спины электронов чем-то хуже, чем во вторых. Хоть поверьте, хоть проверьте: эта разница обусловлена тем, что в первых химические связи являются стационарными, а во вторых химические связи являются переключаемыми. Поэтому хорошими магнетиками – в подходящем диапазоне температур! – и являются металлы (8.6), их сплавы и их соединения. Каким же образом переключаемость химических связей помогает сохранять остаточную намагниченность? Это совсем просто. В химических связях локализованы статические зарядовые разбалансы (9.2). Если происходят переключения химических связей, а также передачи по этим связям статических зарядовых разбалансов с атома на атом (9.2), то можно говорить о миграциях статических зарядовых разбалансов в образце. В состоянии размагниченности, эти миграции неупорядочены. На стадии намагничивания, эти миграции упорядочиваются так, чтобы они происходили по замкнутым цепочкам атомов. После устранения намагничивающего воздействия, эти миграции статических зарядовых разбалансов по замкнутым цепочкам атомов – сохраняются. Являясь движениями электричества, т.е. замкнутыми электрическими токами, они оказывают магнитное действие. А, являясь движениями электричества без подвижек вещества, они не сопровождаются потерями на джоулево тепло, поэтому они могут сохраняться в образце годами – и годами же оказывать магнитное действие. На наш взгляд, так и работают постоянные магниты.

По логике вышеизложенного, магнитный домен – это область образца, в пределах которой движения зарядовых разбалансов по цепочкам атомов локально упорядочены таким образом, что индивидуальные вклады от этих элементарных замкнутых токов, складываясь, усиливают друг друга, давая результирующий вектор намагниченности домена. Поскольку магнитные домены не проявляют признаков того, что в них доминирует электрический заряд того или иного знака, то следует сделать вывод: намагниченность домена обеспечивают токи как отрицательных, так и положительных зарядовых разбалансов – с равным долевым участием. А чтобы магнитные действия кольцевых движений отрицательных и положительных зарядовых разбалансов, складываясь, усиливали друг друга, зарядовые разбалансы противоположных знаков должны двигаться во встречных направлениях, как это схематически изображено на Рис.9.3 – для смежных доменов, имеющих противоположные

 

Рис.9.3

 

намагниченности. Такой подход даёт естественное объяснение механизма перемагничивания образца, т.е. разрастания доменов с намагниченностью, соответствующей внешнему магнитному воздействию – за счёт уменьшения других доменов. Поскольку перемагничивание происходит не за ничтожные времена «опрокидывания спинов» электронов, а за времена, которые огромны по атомным меркам, то «движение междоменной стенки» происходит, надо полагать, благодаря перестройке миграций зарядовых разбалансов – с формата в уменьшающемся домене на формат растущего домена.

Заметим, что две модели намагниченности – «спин-электронная» и «зарядово-разбалансная» – апеллируют к совершенно разным уровням организации вещества. Одно дело, если источниками намагниченности являются отдельные электроны, и совсем другое дело, если для намагниченности требуются замкнутые цепочки атомов. Эти два варианта, конечно же, должны быть различимы на опыте. Так и есть! Поразительные свойства ультратонких плёнок из сильных магнетиков позволяют сделать уверенный выбор между двумя вышеназванными моделями [Г13].

Действительно, если намагниченность порождается спинами электронов, то, казалось бы, ничего не мешает этим спинам выстраиваться в любом направлении по отношению к плоскости плёнки. Тогда ультратонкие магнитные плёнки – вплоть до толщин в один атомный слой! – могли бы сохранять остаточную намагниченность с векторами, направленными как ортогонально плоскости плёнки, так и параллельно ей. Если же намагниченность порождается движением зарядовых разбалансов по замкнутым цепочкам атомов, то не все направления остаточной намагниченности оказываются позволительны. В ультратонкой плёнке «не помещаются» цепочки атомов, плоскости которых ортогональны плоскости плёнки, а помещаются только те цепочки, плоскости которых параллельны (или почти параллельны) плоскости плёнки. Тогда у ультратонких магнитных плёнок доминировала бы намагниченность, ортогональная плоскости плёнки.

Что же говорит опыт? Надо сказать, что в тонких и сверхтонких плёнках сильных магнетиков ось лёгкого намагничивания как раз параллельна плоскости плёнки, поэтому теоретики полагали, что такая ситуация сохранится и в ультратонких плёнках – вплоть до моноатомных слоёв. Но реальность оказалось иной. Уже в 60-х годах прошлого века было достоверно известно о резком уменьшении намагниченности ферромагнитных плёнок, начиная с критических толщин в несколько атомных слоёв. Едва ли кто в те годы допускал, что в ультратонких плёнках «ось лёгкого намагничивания» может быть только ортогональна поверхности, поэтому говорили о потере ультратонкими ферромагнетиками своих магнитных свойств – не находя этому разумных объяснений [С4]. В дальнейшем выяснилось, что сильные магнетики, будучи ультратонкими, не теряют свои магнитные свойства полностью, они теряют лишь способность к намагниченности вдоль поверхности, а способность к ортогональной намагниченности они не просто сохраняют – ортогональная намагниченность оказывается у них единственно возможной или, по крайней мере, сильно доминирующей. На сегодня это можно считать твёрдо установленным фактом [Ф7,А2,Г14].

Этот факт, обеспечивший технологический прорыв, который позволил значительно повысить плотность упаковки информации на магнитных носителях – благодаря т.н. «вертикальной записи» – этот факт не находит разумного объяснения [Ф7] в рамках традиционного подхода, с привлечением «спинов электронов». Наоборот, этот факт, как мы проиллюстрировали выше, легко и естественно объясняется моделью намагниченности, как результата движений статических зарядовых разбалансов по замкнутым цепочкам атомов.