Antiferromagnetismo

Ordenación antiferromagnética

En los materiales que exhiben antiferromagnetismo, los momentos magnéticos de los átomos o moléculas, generalmente relacionados con los espines de los electrones, se alinean en un patrón regular con espines vecinos (en subredes diferentes) que apuntan en direcciones opuestas. Esto es, como el ferromagnetismo y el ferrimagnetismo, una manifestación del magnetismo ordenado. El fenómeno del antiferromagnetismo fue introducido por primera vez por Lev Landau en 1933.

Por lo general, el orden antiferromagnético puede existir a temperaturas suficientemente bajas, pero se desvanece a la temperatura de Néel y por encima de ella, llamada así por Louis Néel, quien fue el primero en identificar este tipo de ordenamiento magnético. Por encima de la temperatura de Néel, el material suele ser paramagnético.

Medición

Cuando no se aplica ningún campo externo, la estructura antiferromagnética corresponde a una magnetización total que desaparece. En un campo magnético externo, se puede mostrar un tipo de comportamiento ferrimagnético en la fase antiferromagnética, con el valor absoluto de una de las magnetizaciones de la subred diferente del de la otra subred, lo que da como resultado una magnetización neta distinta de cero. Aunque la magnetización neta debería ser cero a una temperatura de cero absoluto, el efecto de la inclinación del espín a menudo provoca que se desarrolle una pequeña magnetización neta, como se ve, por ejemplo, en la hematita.

La susceptibilidad magnética de un material antiferromagnético normalmente muestra un máximo a la temperatura de Néel. Por el contrario, en la transición entre las fases ferromagnética y paramagnética, la susceptibilidad divergirá. En el caso antiferromagnético, se observa una divergencia en la susceptibilidad escalonada.

Diversas interacciones microscópicas (de intercambio) entre los momentos magnéticos o espines pueden dar lugar a estructuras antiferromagnéticas. En el caso más simple, se puede considerar un modelo de Ising en una red bipartita, p. la red cúbica simple, con acoplamientos entre espines en los sitios vecinos más cercanos. Dependiendo del signo de esa interacción resultará un orden ferromagnético o antiferromagnético. La frustración geométrica o las interacciones ferromagnéticas y antiferromagnéticas en competencia pueden conducir a estructuras magnéticas diferentes y, quizás, más complicadas.

La relación entre la magnetización y el campo magnetizante no es lineal como en los materiales ferromagnéticos. Este hecho se debe a la contribución del ciclo de histéresis, que para materiales ferromagnéticos implica una magnetización residual.

Materiales antiferromagnéticos

Las estructuras antiferromagnéticas se mostraron por primera vez a través de la difracción de neutrones de óxidos de metales de transición, como los óxidos de níquel, hierro y manganeso. Los experimentos, realizados por Clifford Shull, dieron los primeros resultados que mostraban que los dipolos magnéticos podían orientarse en una estructura antiferromagnética.

Los materiales antiferromagnéticos se encuentran comúnmente entre los compuestos de metales de transición, especialmente los óxidos. Los ejemplos incluyen hematites, metales como el cromo, aleaciones como el manganeso de hierro (FeMn) y óxidos como el óxido de níquel (NiO). También hay numerosos ejemplos entre los grupos de metales de alta nuclearidad. Las moléculas orgánicas también pueden exhibir un acoplamiento antiferromagnético en raras circunstancias, como se ve en radicales como el 5-dehidro-m-xilileno.

Los antiferromagnetos pueden acoplarse a ferroimanes, por ejemplo, a través de un mecanismo conocido como polarización de intercambio, en el que la película ferromagnética crece sobre el antiferromagneto o se recoce en un campo magnético alineado, lo que hace que los átomos de la superficie del ferromagneto se alineen con el átomos superficiales del antiferromagnético. Esto proporciona la capacidad de "fijar" la orientación de una película ferromagnética, que proporciona uno de los usos principales en las llamadas válvulas giratorias, que son la base de los sensores magnéticos, incluidas las modernas cabezas de lectura de las unidades de disco duro. La temperatura a la cual o por encima de la cual una capa antiferromagnética pierde su capacidad de "fijar" la dirección de magnetización de una capa ferromagnética adyacente se denomina temperatura de bloqueo de esa capa y suele ser inferior a la temperatura de Néel.

Frustración geométrica

A diferencia del ferromagnetismo, las interacciones antiferromagnéticas pueden dar lugar a varios estados óptimos (estados fundamentales, estados de energía mínima). En una dimensión, el estado fundamental antiferromagnético es una serie alterna de giros: arriba, abajo, arriba, abajo, etc. Sin embargo, en dos dimensiones, pueden ocurrir múltiples estados fundamentales.

Considere un triángulo equilátero con tres giros, uno en cada vértice. Si cada giro puede tomar solo dos valores (hacia arriba o hacia abajo), hay 2³ = 8 estados posibles del sistema, seis de los cuales son estados fundamentales. Las dos situaciones que no son estados fundamentales son cuando los tres giros están hacia arriba o hacia abajo. En cualquiera de los otros seis estados, habrá dos interacciones favorables y una desfavorable. Esto ilustra la frustración: la incapacidad del sistema para encontrar un único estado fundamental. Este tipo de comportamiento magnético se ha encontrado en minerales que tienen una estructura de apilamiento de cristales, como una red de Kagome o una red hexagonal.

Otras propiedades

Los antiferromagnetos sintéticos (a menudo abreviados como SAF) son antiferromagnetos artificiales que consisten en dos o más capas ferromagnéticas delgadas separadas por una capa no magnética. El acoplamiento dipolar de las capas ferromagnéticas da como resultado una alineación antiparalela de la magnetización de los ferromagnetos.

El antiferromagnetismo juega un papel crucial en la magnetorresistencia gigante, como lo descubrieron en 1988 los ganadores del premio Nobel Albert Fert y Peter Grünberg (otorgado en 2007) utilizando antiferromagnetos sintéticos.

También hay ejemplos de materiales desordenados (como los vidrios de fosfato de hierro) que se vuelven antiferromagnéticos por debajo de su temperatura Néel. Estas redes desordenadas 'frustran' el antiparalelismo de espines adyacentes; es decir, no es posible construir una red en la que cada espín esté rodeado por espines vecinos opuestos. Solo se puede determinar que la correlación promedio de espines vecinos es antiferromagnética. Este tipo de magnetismo a veces se denomina esperomagnetismo.