Ferromagnetismo

Un imán hecho de alnico, una aleación ferromagnética de hierro, con su guardián

El ferromagnetismo es una propiedad de ciertos materiales (como el hierro) que da como resultado una gran permeabilidad magnética observada y, en muchos casos, una gran coercitividad magnética que permite que el material forme un imán permanente. Los materiales ferromagnéticos son los metales familiares notablemente atraídos por un imán, como consecuencia de su gran permeabilidad magnética. La permeabilidad magnética describe la magnetización inducida de un material debido a la presencia de un campo magnético externo, y es esta magnetización inducida temporalmente dentro de una placa de acero, por ejemplo, lo que explica su atracción por el imán permanente.. Si esa placa de acero adquiere o no una magnetización permanente, depende no solo de la fuerza del campo aplicado, sino de la llamada coercitividad de ese material, que varía mucho entre los materiales ferromagnéticos.

En física, se distinguen varios tipos diferentes de magnetismo material. El ferromagnetismo (junto con el ferrimagnetismo de efecto similar) es el tipo más fuerte y es responsable del fenómeno común del magnetismo en los imanes que se encuentran en la vida cotidiana. Las sustancias responden débilmente a los campos magnéticos con otros tres tipos de magnetismo: paramagnetismo, diamagnetismo y antiferromagnetismo, pero las fuerzas suelen ser tan débiles que solo pueden detectarse mediante instrumentos sensibles en un laboratorio. Un ejemplo cotidiano de un imán permanente formado por un material ferromagnético es un imán de nevera que se utiliza para sujetar billetes en la puerta de una nevera. La atracción entre un imán y un material ferromagnético como el hierro se ha descrito como "la cualidad del magnetismo que apareció por primera vez en el mundo antiguo y en la actualidad".

Los imanes permanentes (materiales que pueden ser magnetizados por un campo magnético externo y permanecen magnetizados después de que se elimina el campo externo) son ferromagnéticos o ferrimagnéticos, al igual que los materiales que se sienten atraídos por ellos. Relativamente pocos materiales son ferromagnéticos y, por lo general, son formas puras, aleaciones o compuestos de hierro, cobalto, níquel y ciertos metales de tierras raras. Más allá de su composición química, las propiedades ferromagnéticas de un material (o la falta de ellas) se ven afectadas por su estructura cristalina. El ferromagnetismo es muy importante en la industria y la tecnología moderna y es la base de muchos dispositivos eléctricos y electromecánicos, como electroimanes, motores eléctricos, generadores, transformadores y almacenamiento magnético, como grabadoras y discos duros, y pruebas no destructivas de materiales ferrosos.

Los materiales ferromagnéticos se pueden dividir en magnéticamente "suaves" materiales como el hierro recocido, que puede magnetizarse pero no tiende a permanecer magnetizado, y magnéticamente "duro" materiales, que lo hacen. Los imanes permanentes están hechos de material "duro" materiales ferromagnéticos como el álnico y materiales ferrimagnéticos como la ferrita que se someten a un procesamiento especial en un fuerte campo magnético durante la fabricación para alinear su estructura microcristalina interna, haciéndolos muy difíciles de desmagnetizar. Para desmagnetizar un imán saturado, se debe aplicar un cierto campo magnético, y este umbral depende de la coercitividad del material respectivo. "Difícil" los materiales tienen alta coercitividad, mientras que los materiales "suaves" Los materiales tienen baja coercitividad. La fuerza total de un imán se mide por su momento magnético o, alternativamente, por el flujo magnético total que produce. La fuerza local del magnetismo en un material se mide por su magnetización.

Historia y distinción del ferrimagnetismo

Material ferromagnético: todos los dipoles magnéticos moleculares se apuntan en la misma dirección

Material ferrimagnetico: algunos de los dipoles apuntan en la dirección opuesta, pero su menor contribución es superada por los otros

Históricamente, el término ferromagnetismo se usaba para cualquier material que pudiera exhibir magnetización espontánea: un momento magnético neto en ausencia de un campo magnético externo; eso es cualquier material que podría convertirse en un imán. Esta definición general todavía es de uso común.

Sin embargo, en un artículo histórico de 1948, Louis Néel demostró que hay dos niveles de alineación magnética que dan como resultado este comportamiento. Uno es el ferromagnetismo en sentido estricto, donde todos los momentos magnéticos están alineados. El otro es el ferrimagnetismo, donde algunos momentos magnéticos apuntan en la dirección opuesta pero tienen una contribución menor, por lo que todavía hay una magnetización espontánea.

En el caso especial en el que los momentos opuestos se equilibran por completo, la alineación se conoce como antiferromagnetismo. Por lo tanto, los antiferromagnetos no tienen una magnetización espontánea.

Materiales ferromagnéticos

El ferromagnetismo es una propiedad inusual que ocurre solo en unas pocas sustancias. Los más comunes son los metales de transición hierro, níquel, cobalto y sus aleaciones, y aleaciones de metales de tierras raras. Es una propiedad no solo de la composición química de un material, sino también de su estructura cristalina y microestructura. Su ferromagnetismo es el resultado de tener muchos electrones desapareados en su bloque d en el caso del hierro y sus parientes, o el bloque f en el caso de los metales de tierras raras, como resultado de la regla de máxima multiplicidad de Hund. Hay aleaciones de metales ferromagnéticos cuyos constituyentes no son en sí mismos ferromagnéticos, llamadas aleaciones de Heusler, nombradas así por Fritz Heusler. Por el contrario, existen aleaciones no magnéticas, como tipos de acero inoxidable, compuestas casi exclusivamente de metales ferromagnéticos.

Las aleaciones metálicas ferromagnéticas amorfas (no cristalinas) se pueden fabricar mediante un enfriamiento rápido (enfriamiento) de una aleación líquida. Estos tienen la ventaja de que sus propiedades son casi isotrópicas (no alineadas a lo largo de un eje cristalino); esto da como resultado baja coercitividad, baja pérdida por histéresis, alta permeabilidad y alta resistividad eléctrica. Uno de estos materiales típicos es una aleación de metal de transición-metaloide, hecha de aproximadamente un 80% de metal de transición (generalmente Fe, Co o Ni) y un componente metaloide (B, C, Si, P o Al) que reduce el punto de fusión.

Una clase relativamente nueva de materiales ferromagnéticos excepcionalmente fuertes son los imanes de tierras raras. Contienen elementos lantánidos que son conocidos por su capacidad para transportar grandes momentos magnéticos en orbitales f bien localizados.

La tabla enumera una selección de compuestos ferromagnéticos y ferrimagnéticos, junto con la temperatura por encima de la cual dejan de exhibir magnetización espontánea (consulte la temperatura de Curie).

Materiales inusuales

La mayoría de los materiales ferromagnéticos son metales, ya que los electrones conductores suelen ser los responsables de mediar en las interacciones ferromagnéticas. Por lo tanto, es un desafío desarrollar aisladores ferromagnéticos, especialmente materiales multiferroicos, que son tanto ferromagnéticos como ferroeléctricos.

Varios compuestos actínidos son ferromagnéticos a temperatura ambiente o exhiben ferromagnetismo al enfriarse. PuP es un paramagneto con simetría cúbica a temperatura ambiente, pero que sufre una transición estructural a un estado tetragonal de orden ferromagnético cuando se enfría por debajo de su T_C = 125 K. En su estado ferromagnético, el eje fácil de PuP está en la dirección ⟨100⟩.

En NpFe₂ el eje fácil es ⟨111⟩. Por encima de T_C ≈ 500 K, NpFe₂ también es paramagnético y cúbico. El enfriamiento por debajo de la temperatura de Curie produce una distorsión romboédrica en la que el ángulo romboédrico cambia de 60° (fase cúbica) a 60,53°. Una descripción alternativa de esta distorsión es considerar la longitud c a lo largo del eje trigonal único (después de que haya comenzado la distorsión) y a como la distancia en el plano perpendicular a c. En la fase cúbica esto se reduce a c/a = 1.00. Por debajo de la temperatura de Curie

ca− − 1=− − ()120± ± 5)× × 10− − 4,{fnMicroc} {c}{a}=-(120pm 5)times 10^{-4}

que es la cepa más grande en cualquier compuesto actínido. NpNi₂ sufre una distorsión reticular similar por debajo de T_C = 32 K, con una tensión de (43 ± 5) × 10⁻⁴. NpCo₂ es un ferrimagneto por debajo de 15 K.

En 2009, un equipo de físicos del MIT demostró que un gas de litio enfriado a menos de un kelvin puede presentar ferromagnetismo. El equipo enfrió el litio-6 fermiónico a menos de 150 nK (150 milmillonésimas de un kelvin) mediante enfriamiento por láser infrarrojo. Esta demostración es la primera vez que se demuestra el ferromagnetismo en un gas.

En 2018, un equipo de físicos de la Universidad de Minnesota demostró que el rutenio tetragonal centrado en el cuerpo exhibe ferromagnetismo a temperatura ambiente.

Ferromagnetismo inducido eléctricamente

Investigaciones recientes han mostrado evidencia de que el ferromagnetismo puede ser inducido en algunos materiales por una corriente o voltaje eléctrico. Los antiferromagnéticos LaMnO₃ y SrCoO han sido cambiados a ferromagnéticos por una corriente. En julio de 2020, los científicos informaron que inducían ferromagnetismo en el abundante material diamagnético pirita de hierro ("oro de los tontos") mediante un voltaje aplicado. En estos experimentos, el ferromagnetismo se limitó a una capa superficial delgada.

Explicación

El teorema de Bohr-Van Leeuwen, descubierto en la década de 1910, demostró que las teorías de la física clásica no pueden explicar ninguna forma de magnetismo material, incluido el ferromagnetismo; la explicación depende más bien de la descripción mecánica cuántica de los átomos. Cada uno de los electrones de un átomo tiene un momento magnético de acuerdo con su estado de espín, tal como lo describe la mecánica cuántica. El principio de exclusión de Pauli, también consecuencia de la mecánica cuántica, restringe la ocupación de electrones' estados de espín en los orbitales atómicos, lo que generalmente hace que los momentos magnéticos de los electrones de un átomo se cancelen en gran parte o por completo. Un átomo tendrá un momento magnético neto cuando esa cancelación sea incompleta.

Origen del magnetismo atómico

Una de las propiedades fundamentales de un electrón (además de que lleva carga) es que tiene un momento dipolar magnético, es decir, se comporta como un diminuto imán, produciendo un campo magnético. Este momento dipolar proviene de la propiedad más fundamental del electrón de que tiene un espín mecánico cuántico. Debido a su naturaleza cuántica, el espín del electrón puede estar en uno de solo dos estados; con el campo magnético apuntando "hacia arriba" o "abajo" (para cualquier elección de arriba y abajo). El espín de los electrones en los átomos es la principal fuente de ferromagnetismo, aunque también contribuye el momento angular orbital del electrón con respecto al núcleo. Cuando estos dipolos magnéticos en una pieza de materia están alineados (apuntan en la misma dirección), sus pequeños campos magnéticos individuales se suman para crear un campo macroscópico mucho más grande.

Sin embargo, los materiales hechos de átomos con capas de electrones llenas tienen un momento dipolar total de cero: debido a que todos los electrones existen en pares con espín opuesto, el momento magnético de cada electrón es cancelado por el momento opuesto del segundo electrón. en la pareja Solo los átomos con capas parcialmente llenas (es decir, espines no apareados) pueden tener un momento magnético neto, por lo que el ferromagnetismo ocurre solo en materiales con capas parcialmente llenas. Debido a las reglas de Hund, los primeros electrones de una capa tienden a tener el mismo espín, lo que aumenta el momento dipolar total.

Estos dipolos no apareados (a menudo llamados simplemente "espines", aunque generalmente también incluyen un momento angular orbital) tienden a alinearse en paralelo a un campo magnético externo, lo que genera un efecto macroscópico llamado paramagnetismo. En el ferromagnetismo, sin embargo, la interacción magnética entre átomos vecinos' dipolos magnéticos es lo suficientemente fuerte como para que se alineen entre sí independientemente de cualquier campo aplicado, lo que resulta en la magnetización espontánea de los llamados dominios. Esto da como resultado la gran permeabilidad magnética observada de los ferromagnéticos y la capacidad de "duro" materiales magnéticos para formar imanes permanentes.

Interacción de intercambio

Cuando dos átomos cercanos tienen electrones desapareados, si los espines de los electrones son paralelos o antiparalelos, los electrones pueden compartir la misma órbita como resultado del efecto mecánico cuántico llamado interacción de intercambio. Esto, a su vez, afecta la ubicación de los electrones y la interacción de Coulomb (electrostática) y, por lo tanto, la diferencia de energía entre estos estados.

La interacción de intercambio está relacionada con el principio de exclusión de Pauli, que dice que dos electrones con el mismo espín no pueden estar también en el mismo estado espacial (orbital). Esta es una consecuencia del teorema de la estadística de espín y de que los electrones son fermiones. Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, cuando los orbitales de los electrones de valencia externos no apareados de átomos adyacentes se superponen, las distribuciones de su carga eléctrica en el espacio están más separadas cuando los electrones tienen espines paralelos que cuando tienen espines opuestos. Esto reduce la energía electrostática de los electrones cuando sus giros son paralelos en comparación con su energía cuando los giros son antiparalelos, por lo que el estado de giro paralelo es más estable. Esta diferencia de energía se llama energía de intercambio. En términos simples, los electrones externos de los átomos adyacentes, que se repelen entre sí, pueden alejarse más al alinear sus espines en paralelo, de modo que los espines de estos electrones tienden a alinearse.

Esta diferencia de energía puede ser de órdenes de magnitud mayor que las diferencias de energía asociadas con la interacción dipolo-dipolo magnético debido a la orientación del dipolo, que tiende a alinear los dipolos en forma antiparalela. En ciertos óxidos semiconductores dopados, se ha demostrado que las interacciones RKKY provocan interacciones magnéticas periódicas de mayor alcance, un fenómeno de importancia en el estudio de los materiales espintrónicos.

Los materiales en los que la interacción de intercambio es mucho más fuerte que la interacción competidora dipolo-dipolo se denominan con frecuencia materiales magnéticos. Por ejemplo, en el hierro (Fe) la fuerza de intercambio es unas 1000 veces mayor que la interacción dipolar. Por lo tanto, por debajo de la temperatura de Curie, prácticamente todos los dipolos de un material ferromagnético estarán alineados. Además del ferromagnetismo, la interacción de intercambio también es responsable de los otros tipos de ordenamiento espontáneo de los momentos magnéticos atómicos que ocurren en los sólidos magnéticos, el antiferromagnetismo y el ferrimagnetismo. Existen diferentes mecanismos de interacción de intercambio que crean el magnetismo en diferentes sustancias ferromagnéticas, ferrimagnéticas y antiferromagnéticas. Estos mecanismos incluyen intercambio directo, intercambio RKKY, intercambio doble y superintercambio.

Anisotropía magnética

Aunque la interacción de intercambio mantiene los giros alineados, no los alinea en una dirección particular. Sin anisotropía magnética, los giros en un imán cambian de dirección aleatoriamente en respuesta a las fluctuaciones térmicas y el imán es superparamagnético. Hay varios tipos de anisotropía magnética, la más común de las cuales es la anisotropía magnetocristalina. Esta es una dependencia de la energía en la dirección de magnetización relativa a la red cristalográfica. Otra fuente común de anisotropía, la magnetoestricción inversa, es inducida por tensiones internas. Los imanes de un solo dominio también pueden tener una anisotropía de forma debido a los efectos magnetostáticos de la forma de la partícula. A medida que aumenta la temperatura de un imán, la anisotropía tiende a disminuir y, a menudo, hay una temperatura de bloqueo en la que se produce una transición al superparamagnetismo.

Dominios magnéticos

Movimiento de dominio magnético dinámico electromagnético del silicio eléctrico orientado al grano

Micrografo Kerr de superficie metálica mostrando dominios magnéticos, con rayas rojas y verdes denotando direcciones de magnetización opuestas

Lo anterior parecería sugerir que cada pieza de material ferromagnético debería tener un fuerte campo magnético, ya que todos los espines están alineados, pero el hierro y otros ferromagnetos se encuentran a menudo en un "no magnetizado" Expresar. La razón de esto es que una gran cantidad de material ferromagnético se divide en pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos (también conocidos como dominios de Weiss). Dentro de cada dominio, los espines están alineados, pero (si el material a granel está en su configuración de energía más baja; es decir, no magnetizado), los espines de dominios separados apuntan en diferentes direcciones y sus campos magnéticos se anulan, por lo que el objeto no tiene un campo magnético neto a gran escala.

Los materiales ferromagnéticos se dividen espontáneamente en dominios magnéticos porque la interacción de intercambio es una fuerza de corto alcance, por lo que a largas distancias de muchos átomos la tendencia de los dipolos magnéticos a reducir su energía al orientarse en direcciones opuestas gana Si todos los dipolos en una pieza de material ferromagnético están alineados en paralelo, se crea un gran campo magnético que se extiende hacia el espacio que lo rodea. Esto contiene mucha energía magnetostática. El material puede reducir esta energía al dividirse en muchos dominios que apuntan en diferentes direcciones, por lo que el campo magnético se limita a pequeños campos locales en el material, lo que reduce el volumen del campo. Los dominios están separados por paredes de dominio delgadas de varias moléculas de espesor, en las que la dirección de magnetización de los dipolos gira suavemente de la dirección de un dominio a la otra.

Materiales magnetizados

Moviendo paredes de dominio en un grano de acero de silicio causado por un creciente campo magnético externo en la dirección "abajo", observada en un microscopio Kerr. Las áreas blancas son dominios con magnetización hacia arriba, áreas oscuras son dominios con magnetización hacia abajo.

Por lo tanto, una pieza de hierro en su estado de energía más bajo ('no magnetizado') generalmente tiene poco o ningún campo magnético neto. Sin embargo, los dominios magnéticos de un material no están fijos; son simplemente regiones donde los espines de los electrones se han alineado espontáneamente debido a sus campos magnéticos y, por lo tanto, pueden ser alterados por un campo magnético externo. Si se aplica un campo magnético externo lo suficientemente fuerte al material, las paredes del dominio se moverán por el proceso de los espines de los electrones en los átomos cerca de la pared en un dominio girando bajo la influencia del campo externo para mirar en la misma dirección que los electrones en el otro dominio, reorientando así los dominios para que más dipolos estén alineados con el campo externo. Los dominios permanecerán alineados cuando se elimine el campo externo, creando un campo magnético propio que se extiende hacia el espacio alrededor del material, creando así un campo "permanente" imán. Los dominios no vuelven a su configuración de energía mínima original cuando se elimina el campo porque las paredes del dominio tienden a quedar 'fijadas'. o 'enganchado' sobre defectos en la red cristalina, preservando su orientación paralela. Esto se muestra mediante el efecto Barkhausen: a medida que cambia el campo magnético, la magnetización cambia en miles de pequeños saltos discontinuos a medida que las paredes del dominio se "rompen" repentinamente. defectos pasados.

Esta magnetización en función del campo externo se describe mediante una curva de histéresis. Aunque este estado de dominios alineados que se encuentra en una pieza de material ferromagnético magnetizado no es una configuración de energía mínima, es metaestable y puede persistir durante largos períodos, como lo muestran las muestras de magnetita del fondo del mar que han mantenido su magnetización durante millones. de años.

Calentar y luego enfriar (recocer) un material magnetizado, someterlo a vibraciones al martillarlo o aplicar un campo magnético que oscila rápidamente desde una bobina de desmagnetización tiende a liberar las paredes del dominio de su estado fijo y los límites del dominio tienden a volver a una configuración de menor energía con menos campo magnético externo, desmagnetizando el material.

Los imanes comerciales están hechos de material "duro" materiales ferromagnéticos o ferrimagnéticos con anisotropía magnética muy grande, como el álnico y las ferritas, que tienen una fuerte tendencia a que la magnetización apunte a lo largo de un eje del cristal, el "eje fácil". Durante la fabricación, los materiales se someten a varios procesos metalúrgicos en un potente campo magnético, que alinea los granos de cristal para que su "fácil" todos los ejes de magnetización apuntan en la misma dirección. Por lo tanto, la magnetización y el campo magnético resultante están "incorporados" a la estructura cristalina del material, haciéndolo muy difícil de desmagnetizar.

Temperatura de Curie

A medida que aumenta la temperatura, el movimiento térmico, o entropía, compite con la tendencia ferromagnética para alinear los dipolos. Cuando la temperatura sube más allá de cierto punto, llamado temperatura de Curie, se produce una transición de fase de segundo orden y el sistema ya no puede mantener una magnetización espontánea, por lo que desaparece su capacidad de ser magnetizado o atraído por un imán, aunque sigue respondiendo. paramagnéticamente a un campo externo. Por debajo de esa temperatura, hay una ruptura de simetría espontánea y los momentos magnéticos se alinean con sus vecinos. La temperatura de Curie en sí misma es un punto crítico, donde la susceptibilidad magnética es teóricamente infinita y, aunque no hay magnetización neta, las correlaciones de espín tipo dominio fluctúan en todas las escalas de longitud.

El estudio de las transiciones de fase ferromagnéticas, especialmente a través del modelo simplificado de espín de Ising, tuvo un impacto importante en el desarrollo de la física estadística. Allí, se mostró claramente por primera vez que los enfoques de la teoría del campo medio fallaron en predecir el comportamiento correcto en el punto crítico (que se encontró que entraba en una clase de universalidad que incluye muchos otros sistemas, como líquido-gas transiciones), y tuvo que ser reemplazada por la teoría de grupos de renormalización.