Antiferromagnetismo - Antiferromagnetism

Ordenação antiferromagnética

Em materiais que exibem antiferromagnetismo , os momentos magnéticos de átomos ou moléculas , geralmente relacionados aos spins dos elétrons , se alinham em um padrão regular com spins vizinhos (em sub-redes diferentes) apontando em direções opostas. Isso é, como o ferromagnetismo e o ferrimagnetismo , uma manifestação de magnetismo ordenado .

Geralmente, a ordem antiferromagnética pode existir em temperaturas suficientemente baixas, mas desaparece na temperatura de Néel e acima - em homenagem a Louis Néel , que primeiro identificou este tipo de ordem magnética. Acima da temperatura de Néel, o material é tipicamente paramagnético .

Medição

Quando nenhum campo externo é aplicado, a estrutura antiferromagnética corresponde a um desaparecimento total da magnetização. Em um campo magnético externo, um tipo de comportamento ferrimagnético pode ser exibido na fase antiferromagnética, com o valor absoluto de uma das magnetizações de sub-rede diferindo daquele da outra sub-rede, resultando em uma magnetização de rede diferente de zero. Embora a magnetização líquida deva ser zero a uma temperatura de zero absoluto , o efeito da inclinação do spin freqüentemente causa o desenvolvimento de uma pequena magnetização líquida, como visto por exemplo na hematita .

A suscetibilidade magnética de um material antiferromagnético normalmente mostra um máximo na temperatura de Néel. Em contraste, na transição entre as fases ferromagnética e paramagnética, a suscetibilidade irá divergir. No caso antiferromagnético, uma divergência é observada na susceptibilidade escalonada .

Várias interações microscópicas (de troca) entre os momentos magnéticos ou spins podem levar a estruturas antiferromagnéticas. No caso mais simples, pode-se considerar um modelo de Ising em uma rede bipartida , por exemplo, a rede cúbica simples , com acoplamentos entre spins em sites vizinhos mais próximos. Dependendo do sinal dessa interação, resultará em ordem ferromagnética ou antiferromagnética. Frustração geométrica ou interações ferro e antiferromagnéticas concorrentes podem levar a estruturas magnéticas diferentes e, talvez, mais complicadas.

A relação entre a magnetização e o campo de magnetização é não linear como nos materiais ferromagnéticos . Este fato se deve à contribuição do loop de histerese , que para materiais ferromagnéticos envolve uma magnetização residual .

Materiais antiferromagnéticos

Estruturas antiferromagnéticas foram mostradas pela primeira vez por meio de difração de nêutrons de óxidos de metais de transição, como óxidos de níquel, ferro e manganês. Os experimentos, realizados por Clifford Shull , deram os primeiros resultados mostrando que dipolos magnéticos poderiam ser orientados em uma estrutura antiferromagnética.

Materiais antiferromagnéticos ocorrem comumente entre compostos de metais de transição , especialmente óxidos. Os exemplos incluem hematita , metais como cromo , ligas como ferro manganês (FeMn) e óxidos como óxido de níquel (NiO). Existem também numerosos exemplos entre aglomerados de metais de alta nuclearidade. As moléculas orgânicas também podem exibir acoplamento antiferromagnético em raras circunstâncias, como visto em radicais como o 5-desidro-m-xilileno .

Os antiferromagnetos podem se acoplar aos ferromagnetos , por exemplo, por meio de um mecanismo conhecido como viés de troca , no qual o filme ferromagnético é crescido sobre o antiferromagneto ou recozido em um campo magnético de alinhamento, fazendo com que os átomos da superfície do ferromagneto se alinhem com os átomos da superfície de o antiferroímã. Isso fornece a capacidade de "fixar" a orientação de um filme ferromagnético , que fornece um dos principais usos nas chamadas válvulas de spin , que são a base dos sensores magnéticos, incluindo os modernos cabeçotes de leitura de discos rígidos . A temperatura na qual ou acima da qual uma camada antiferromagnética perde sua capacidade de "fixar" a direção de magnetização de uma camada ferromagnética adjacente é chamada de temperatura de bloqueio dessa camada e geralmente é mais baixa do que a temperatura de Néel.

Frustração geométrica

Ao contrário do ferromagnetismo, as interações anti-ferromagnéticas podem levar a vários estados ótimos (estados fundamentais - estados de energia mínima). Em uma dimensão, o estado fundamental anti-ferromagnético é uma série alternada de giros: para cima, para baixo, para cima, para baixo, etc. No entanto, em duas dimensões, vários estados fundamentais podem ocorrer.

Considere um triângulo equilátero com três spins, um em cada vértice. Se cada spin pode assumir apenas dois valores (para cima ou para baixo), existem 2 3 = 8 estados possíveis do sistema, seis dos quais são estados fundamentais. As duas situações que não são estados fundamentais são quando todos os três giros estão para cima ou todos para baixo. Em qualquer um dos outros seis estados, haverá duas interações favoráveis ​​e uma desfavorável. Isso ilustra a frustração : a incapacidade do sistema de encontrar um único estado fundamental. Este tipo de comportamento magnético foi encontrado em minerais que têm uma estrutura de empilhamento de cristais, como uma rede Kagome ou uma rede hexagonal .

Outras propriedades

Antiferromagnetos sintéticos (frequentemente abreviados por SAF) são antiferromagnetos artificiais que consistem em duas ou mais camadas ferromagnéticas finas separadas por uma camada não magnética. O acoplamento dipolar das camadas ferromagnéticas resulta no alinhamento antiparalelo da magnetização dos ferromagnetos.

Antiferromagnetismo desempenha um papel crucial na magnetorresistência gigante , como havia sido descoberto em 1988 pelo prêmio Nobel vencedores Albert Fert e Peter Grünberg (premiado em 2007), utilizando antiferromagneto sintéticos.

Existem também exemplos de materiais desordenados (como vidros de fosfato de ferro) que se tornam antiferromagnéticos abaixo de sua temperatura Néel. Essas redes desordenadas "frustram" o antiparalelismo de spins adjacentes; ou seja, não é possível construir uma rede em que cada spin esteja rodeado por spins vizinhos opostos. Só pode ser determinado que a correlação média dos spins vizinhos é antiferromagnética. Este tipo de magnetismo é às vezes chamado de speromagnetismo .

Um fenômeno interessante ocorre em antiferromagnetos anisotrópicos de Heisenberg em um campo, onde as fases spin-flop e supersólida podem ser estabilizadas. A última fase foi descrita pela primeira vez por Takeo Matsubara e H. Matsuda em 1956.

Veja também

Referências

links externos