Journal Archive

Välkemärkta magnetiska egenskaper är alltid förknippade med elektroner i ofullständiga inre elektronskal som bibehåller en jämförelsevis lokaliserad och atomär karaktär i det fasta tillståndet – till skillnad från de delokaliserade ledningselektronerna som blir en egenskap hos fasta ämnen som helhet. Det finns dock ingen helt klar uppdelning mellan lokaliserade och icke-lokaliserade situationer. Det bästa exemplet på en väl lokaliserad situation är de sällsynta jordartsmetallernas ofullständiga f -elektronskal. I gadolinium spelar 7f -elektronerna per atom ingen roll i bindningen och f -elektronerna på närliggande atomer i metallen är bara ”medvetna om varandra” på grund av den indirekta kopplingen genom de tre ledningselektronerna per atom som så att säga kan tala om för en atom vilken riktning det magnetiska momentet har som ges av f -elektronerna på en annan atom.

De första övergångsgruppmetallernas (särskilt mangan, järn, kobolt och nickel) 3d-elektronsköldar är inte lika väl lokaliserade som de sällsynta jordartsmetallernas f -elektroner, och i de rena metallerna förekommer säkerligen starka direkta växelverkningar mellan d -elektroner på angränsande atomer. (Vi vet fortfarande inte om dessa direkta växelverkningar eller indirekta växelverkningar genom ledningselektronerna är dominerande när det gäller att ge järn, kobolt och nickel ferromagnetism). D -elektronerna blir något mer lokaliserade när man passerar längs en övergångsserie (Ti→Ni) men märkbart mindre lokaliserade när man går från den första till den andra till den tredje övergångsserien (Co →-Rh→-Ir), och starka magnetiska interaktioner saknas i osmium, iridium och platina eftersom 5d-elektronerna på närliggande atomer beter sig mer som ledningselektroner än som lokaliserade sådana. Palladium, i slutet av den andra övergångsserien, är mycket nära ett magnetiskt ordnat material, och små mängder järn i fast lösning producerar ett ferromagnetiskt moment som inte helt och hållet tillhandahålls av järnatomerna.

Ännu starkare effekter produceras när små mängder järn tillsätts till de palladium-rhodium-legeringar (~5 procent rhodium) där arbetet av F. E. Hoare m.fl. vid University of Leeds har visat att de villkor som krävs för ferromagnetism är mycket nära nog uppfyllda.

En stor mängd arbete har nyligen utförts på utspädda legeringar av övergångsmetaller i 3:d-serien upplösta i palladium eller platina, en stor del av detta arbete har utförts vid Bell Telephone Laboratories. Resultaten har jämförts med det magnetiska beteendet hos lösningar av järn i de tidigare medlemmarna av 4d-serien, där järn inte alltid bär ett magnetiskt moment. I niobium, där den elektroniska tillståndstätheten är hög, har lösta järnatomer inget moment; men den höga tillståndstätheten i platina och palladium förhindrar inte uppkomsten av ett moment på järnatomerna, förmodligen på grund av den mer lokaliserade karaktären hos d-elektronerna i lösningsmedlet.

Om mangan, järn eller kobolt löses upp i en icke-övergångsmetall (till exempel guld) har d -elektronerna inga närliggande d -elektroner att interagera med och blir mer lokaliserade – det vill säga mer likt f -elektronerna eller sällsynta jordartsmetaller – och det finns intressanta likheter mellan lantan -gadolinium*-legeringar och guld-järn eller koppar-mangan-legeringar, eftersom de enda magnetiska växelverkningarna i alla tre är via ledningselektronerna. Ur denna synvinkel kan platina, iridium och rhodium kanske betraktas som enkla ”icke-magnetiska” lösningsmedel för järn, men palladium ger säkert en annan och mer komplicerad situation. Nyligen utförda arbeten av den nuvarande författaren har avslöjat slående effekter på det elektriska motståndet vid låga temperaturer hos utspädda lösningar av järn i palladium, platina, rhodium och iridium. Dessa verkar vara besläktade med, men mycket starkare än de välkända anomalier i elektrisk resistans som uppvisas av de ovan nämnda guld-järn- och koppar-manganlegeringarna.

I mer koncentrerade legeringar av järngruppens metaller blir grannatomsinteraktioner viktiga, och uppseendeväckande effekter kan ibland åstadkommas genom övergångar från oordnade strukturer till ordnade strukturer. FeAl och Au3Mn ger exempel på detta, men av metallurgiska skäl, t.ex. storleksfaktorer, är de mest omfattande fasta lösningarna där ordning är möjlig i legeringar med platinametaller. Ett slående exempel är Pt3Fe-legeringen, som om den är perfekt ordnad (inga Fe-Fe-nästa grannar) är antiferromagnetisk, men några få extra järnatomer som upptar platinaplatser omvandlar en stor del av grannmaterialet till ett ferromagnetiskt tillstånd (1).

Iron-Rhodium Alloys

Ett antal artiklar som presenterades vid den åttonde konferensen om magnetism och magnetiska material, som nyligen hölls i Pittsburgh, behandlade olika aspekter av de magnetiska egenskaperna hos platinametaller och deras legeringar som kan diskuteras i förhållande till de punkter som tagits upp ovan.

Den slående förändringen med temperaturen av de magnetiska egenskaperna i järn-rhodium-legeringar som innehåller lika stora atomära procentandelar av varje grundämne har varit känd sedan en tid tillbaka, och en kort genomgång av de data som fanns tillgängliga fram till för ungefär ett år sedan gavs i denna tidskrift i januari förra året (2). Denna ordnade legering av CsCl-typ övergår från antiferromagnetisk till ferromagnetisk vid ~360°K i ett yttre nollfält, men vid ~220°K i ett fält på 120 000 gauss.

Nu har Flippen och Darnell från du Pont (3) diskuterat termodynamiken för detta fältberoende, medan Shirane, Chen och Flinn från Westinghouse tillsammans med Nathans från Brookhaven (4) har publicerat resultaten av Mossbauer-studier av det magnetfält som ses av järnatomkärnan och skillnaderna mellan järnatomer i ”rätt” och ”fel” läge.

Kouvel och hans medarbetare vid General Electrics laboratorium i Schenectady, som genomförde omvandlingsstudier av järn-rhodiumlegeringen, har nu övergått till att undersöka möjligheten att ett analogt beteende kan hittas i dess isomorf MnRh (5).

Det sker en martensitisk omvandling (med hysteres) från en ordnad CsCl-struktur vid hög temperatur till en CuAu-struktur vid låg temperatur. Hög temperaturformen är paramagnetisk (den skulle förmodligen bli antiferromagnetisk vid låga temperaturer) och lågtemperaturformen är starkt antiferromagnetisk. Förändringen ger därför upphov till en förändring av densitet och motstånd, men dessa är inte skarpa eftersom det verkar finnas ett ganska stort intervall mellan början och slutet av martensitomvandlingen. I detta sammanhang skulle en undersökning av beteendet hos de besläktade faserna FeRh, Mnlr, MnNi och effekterna av substitutioner av andra övergångsmetaller i dessa faser förmodligen vara av intresse.

Platinlegeringar

Legeringar av platina med små mängder mangan, järn, kobolt och nickel beskrevs av Bozorth, Davis och Wernick från Bell Laboratories vid den internationella konferensen om magnetism 1961 och jämfördes med liknande palladiumbaserade legeringar (6).

För platina-legeringarna är effekterna mycket svagare (den högsta Curietemperaturen för en 1-procentig legering (Co eller Fe) är ~I7°K jämfört med 80°K för Pd-Co 1 procent och storleken på det magnetiska momentet som produceras på platinaatomer är mycket mindre än den som produceras på palladiumatomer. Det är uppenbart att även om järnets d -elektroner kan betraktas som lokaliserade när det är löst i platina (liksom gadoliniums f -elektroner när de är lösta i lantan) är styrkan i växelverkan mellan dem (den indirekta växelverkan via ledningselektronerna) mycket starkare än i lösningsmedel som inte är övergångslösningsmedel, eftersom ledningselektronerna i platina själva har en hel del d -karaktär.

I en annan artikel till Pittsburghkonferensen har Pickart och Nathans (7) rapporterat neutron diffraktionsstudier på mangan-platina- och krom-platina-legeringar. Båda har Cu3Au-strukturen och det verkar finnas ett visst magnetiskt moment på platinaatomerna, men i Pt3Cr är detta i motsatt riktning till det tio gånger större momentet på kromatomerna.

Iron-Palladium- och Gadolinium-Palladium-legeringar

Eron-Palladium-legeringar med små mängder järn har också studerats med hjälp av neutrondiffraktion av Cable och hans kollegor vid Oak Ridge (8). Det magnetiska momentet på järnatomerna har visat sig motsvara 3,0 elektronspins (jämfört med 2,22 i rent järn). Det finns ett moment på 0,15 enheter på palladiumatomerna i den 3-procentiga järnlegeringen. Detta har beräknats genom att anta att alla palladiumatomer har liknande moment. Det finns dock andra bevis som tyder på att för mycket utspädda legeringar ner till 1 procent järn har endast palladiumatomer intill en järnatom ett moment och att det är ~0,5 enheter.

Gadolinium-palladiumlegeringar med små mängder gadolinium har studerats ingående av arbetare vid Bell Laboratories, med hjälp av tekniken för elektronparamagnetisk resonans. Magnetfältet för denna resonans skiljer sig avsevärt från magnetfältet för gadolinium i legeringar med icke-övergångsmetaller, så även om de magnetiska egenskaperna domineras av de 7 lokaliserade 4f -elektronerna hos gadolinium ändrar palladiums nästan magnetiska karaktär saker och ting något, även om det är mindre starkt än i palladium-järn. Detta har nu visats (9) genom att lägga till väte till palladium som innehåller gadolinium och därigenom fylla upp palladiums d -elektrontillstånd med extra elektroner. Effekten är att gadoliniumet beter sig som det gör i icke-metalliska situationer eller i lösning i enkla metaller. Samma effekt uppnås för övrigt genom att tillsätta silver till palladium som innehåller gadolinium. (Med metallerna osmium och ruthenium bildar gadolinium svagt ferromagnetiska intermetalliska föreningar GdOs2 och GdRu2, men likheten i egenskaper med GdAl2 tyder på att övergångsmetallkaraktären hos osmium och ruthenium är mindre viktig än hos palladium i ovanstående legeringar).

Lämna ett svar

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.