Antiferromagnetismus - Antiferromagnetism

Antiferromagnetische Ordnung

In Materialien, die Antiferromagnetismus aufweisen , richten sich die magnetischen Momente von Atomen oder Molekülen , die normalerweise mit den Spins von Elektronen zusammenhängen , in einem regelmäßigen Muster aus, wobei benachbarte Spins (auf verschiedenen Untergittern) in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Dies ist, wie Ferromagnetismus und Ferrimagnetismus , eine Manifestation des geordneten Magnetismus .

Im Allgemeinen kann antiferromagnetische Ordnung bei ausreichend niedrigen Temperaturen existieren, verschwindet jedoch bei und oberhalb der Néel-Temperatur – benannt nach Louis Néel , der diese Art der magnetischen Ordnung als erster identifiziert hatte. Oberhalb der Néel-Temperatur ist das Material typischerweise paramagnetisch .

Messung

Wenn kein externes Feld angelegt wird, entspricht die antiferromagnetische Struktur einer verschwindenden Gesamtmagnetisierung. In einem externen Magnetfeld kann sich in der antiferromagnetischen Phase eine Art ferrimagnetisches Verhalten zeigen, wobei sich der Absolutwert einer der Untergittermagnetisierungen von dem des anderen Untergitters unterscheidet, was zu einer Nettomagnetisierung ungleich null führt. Obwohl die Nettomagnetisierung bei einer Temperatur von absolutem Nullpunkt null sein sollte , führt der Effekt des Spin-Cantings häufig zur Entwicklung einer kleinen Nettomagnetisierung, wie sie beispielsweise bei Hämatit beobachtet wird .

Die magnetische Suszeptibilität eines antiferromagnetischen Materials zeigt typischerweise ein Maximum bei der Néel-Temperatur. Im Gegensatz dazu wird die Suszeptibilität beim Übergang von der ferromagnetischen zu der paramagnetischen Phase divergieren. Im antiferromagnetischen Fall wird eine Divergenz in der gestaffelten Suszeptibilität beobachtet .

Verschiedene mikroskopische (Austausch-)Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten oder Spins können zu antiferromagnetischen Strukturen führen. Im einfachsten Fall kann man sich ein Ising-Modell auf einem bipartiten Gitter vorstellen , zB dem einfachen kubischen Gitter , mit Kopplungen zwischen Spins an den nächsten Nachbarplätzen. Je nach Vorzeichen dieser Wechselwirkung ergibt sich eine ferromagnetische oder antiferromagnetische Ordnung. Geometrische Frustration oder konkurrierende ferro- und antiferromagnetische Wechselwirkungen können zu unterschiedlichen und möglicherweise komplizierteren magnetischen Strukturen führen.

Der Zusammenhang zwischen Magnetisierung und Magnetisierungsfeld ist wie bei ferromagnetischen Materialien nichtlinear . Diese Tatsache ist auf den Beitrag der Hystereseschleife zurückzuführen , die bei ferromagnetischen Materialien eine Restmagnetisierung beinhaltet .

Antiferromagnetische Materialien

Antiferromagnetische Strukturen wurden zuerst durch Neutronenbeugung von Übergangsmetalloxiden wie Nickel-, Eisen- und Manganoxiden gezeigt. Die von Clifford Shull durchgeführten Experimente lieferten erste Ergebnisse, die zeigten, dass magnetische Dipole in einer antiferromagnetischen Struktur orientiert sein könnten.

Antiferromagnetische Materialien kommen häufig unter Übergangsmetallverbindungen vor , insbesondere Oxiden. Beispiele umfassen Hämatit , Metalle wie Chrom , Legierungen wie Eisen-Mangan (FeMn) und Oxide wie Nickeloxid (NiO). Es gibt auch zahlreiche Beispiele unter hochnuklearen Metallclustern. Organische Moleküle können in seltenen Fällen auch eine antiferromagnetische Kopplung aufweisen, wie man bei Radikalen wie 5-Dehydro-m-xylylen beobachtet .

Antiferromagnete können zum Beispiel durch einen Mechanismus, der als Exchange Bias bekannt ist , an Ferromagneten koppeln , bei dem der ferromagnetische Film entweder auf dem Antiferromagneten aufgewachsen oder in einem ausrichtenden Magnetfeld geglüht wird, wodurch die Oberflächenatome des Ferromagneten mit den Oberflächenatomen von der Antiferromagnet. Dies bietet die Möglichkeit, die Orientierung eines ferromagnetischen Films "zu fixieren" , was eine der Hauptanwendungen in sogenannten Spinventilen darstellt , die die Grundlage von Magnetsensoren einschließlich moderner Festplattenleseköpfe sind . Die Temperatur, bei oder über der eine antiferromagnetische Schicht ihre Fähigkeit verliert, die Magnetisierungsrichtung einer benachbarten ferromagnetischen Schicht zu "fixieren", wird als Blockierungstemperatur dieser Schicht bezeichnet und ist normalerweise niedriger als die Néel-Temperatur.

Geometrische Frustration

Im Gegensatz zum Ferromagnetismus können antiferromagnetische Wechselwirkungen zu mehreren optimalen Zuständen (Grundzustände – Zustände minimaler Energie) führen. In einer Dimension ist der antiferromagnetische Grundzustand eine alternierende Reihe von Spins: oben, unten, oben, unten usw. In zwei Dimensionen können jedoch mehrere Grundzustände auftreten.

Betrachten Sie ein gleichseitiges Dreieck mit drei Drehungen, einer an jedem Scheitelpunkt. Wenn jeder Spin nur zwei Werte annehmen kann (oben oder unten), gibt es 2 3 = 8 mögliche Zustände des Systems, von denen sechs Grundzustände sind. Die beiden Situationen, die keine Grundzustände sind, sind, wenn alle drei Spins oben oder alle unten sind. In jedem der anderen sechs Zustände wird es zwei günstige und eine ungünstige Wechselwirkungen geben. Dies veranschaulicht die Frustration : die Unfähigkeit des Systems, einen einzigen Grundzustand zu finden. Diese Art von magnetischem Verhalten wurde bei Mineralien gefunden, die eine Kristallstapelstruktur wie ein Kagome-Gitter oder ein hexagonales Gitter aufweisen .

Andere Eigenschaften

Synthetische Antiferromagnete (oft abgekürzt mit SAF) sind künstliche Antiferromagnete, die aus zwei oder mehr dünnen ferromagnetischen Schichten bestehen, die durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind. Die Dipolkopplung der ferromagnetischen Schichten führt zu einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung der Ferromagneten.

Antiferro- spielt eine entscheidende Rolle bei dem Riesenmagnetowiderstand , wie im Jahr 1988 durch den entdeckt worden Nobelpreis Gewinner Albert Fert und Peter Grünberg (verliehen 2007) unter Verwendung von synthetischen Antiferromagneten.

Es gibt auch Beispiele für ungeordnete Materialien (wie Eisenphosphatgläser), die unterhalb ihrer Néel-Temperatur antiferromagnetisch werden. Diese ungeordneten Netzwerke „vereiteln“ die Antiparallelität benachbarter Spins; dh es ist nicht möglich, ein Netzwerk zu konstruieren, in dem jeder Spin von entgegengesetzten Nachbarspins umgeben ist. Es kann nur festgestellt werden, dass die durchschnittliche Korrelation der Nachbarspins antiferromagnetisch ist. Diese Art von Magnetismus wird manchmal als Speromagnetismus bezeichnet .

Ein interessantes Phänomen tritt bei anisotropen Heisenberg- Antiferromagneten in einem Feld auf, in dem Spin-Flop- und Supersolid- Phasen stabilisiert werden können. Die letztere Phase wurde erstmals 1956 von Takeo Matsubara und H. Matsuda beschrieben.

Siehe auch

Verweise

Externe Links