Ferrimagnetismus - Ferrimagnetism

Ferrimagnetische Ordnung

Ein ferrimagnetisches Material ist ein Material, das Populationen von Atomen mit entgegengesetzten magnetischen Momenten aufweist , wie beim Antiferromagnetismus . Bei ferrimagnetischen Materialien sind diese Momente ungleich groß, sodass eine spontane Magnetisierung verbleibt. Dies kann beispielsweise passieren, wenn die Populationen aus verschiedenen Atomen oder Ionen bestehen (wie Fe 2+ und Fe 3+ ).

Ferrimagnetismus wurde oft mit Ferromagnetismus verwechselt . Die älteste bekannte magnetische Substanz Magnetit (Fe 3 O 4 ) wurde als Ferromagnet klassifiziert, bevor Louis Néel 1948 den Ferrimagnetismus entdeckte. Seit der Entdeckung wurden zahlreiche Verwendungen für ferrimagnetische Materialien wie Festplattenplatten und biomedizinische Anwendungen gefunden.

Geschichte

Bis zum 20. Jahrhundert wurden alle von Natur aus magnetische Stoffe Ferromagnete genannt. 1936 veröffentlichte Louis Néel eine Veröffentlichung, in der er die Existenz einer neuen Form des kooperativen Magnetismus vorschlug, die er Antiferromagnetismus nannte. Während der Arbeit mit Mn 2 Sb entdeckte der französische Physiker Charles Guillaud, dass die aktuellen Theorien zum Magnetismus nicht ausreichen, um das Verhalten des Materials zu erklären, und erstellte ein Modell, um das Verhalten zu erklären. 1948 veröffentlichte Néel eine Arbeit über eine dritte Art von kooperativem Magnetismus, basierend auf den Annahmen in Guillauds Modell. Er nannte es Ferrimagnetismus. 1970 wurde Néels für seine Arbeiten zum Magnetismus der Nobelpreis für Physik verliehen .

Physischer Ursprung

➀ Unterhalb des Magnetisierungskompensationspunktes ist ferrimagnetisches Material magnetisch. ➁ Am Ausgleichspunkt heben sich die magnetischen Komponenten auf und das gesamte magnetische Moment ist null. ➂ Oberhalb der Curie-Temperatur verliert das Material an Magnetismus.

Ferrimagnetismus hat die gleichen physikalischen Ursprünge wie Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus . In ferrimagnetischen Materialien wird die Magnetisierung auch durch eine Kombination von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und Austauschwechselwirkungen verursacht, die sich aus dem Pauli-Ausschlussprinzip ergeben . Der Hauptunterschied besteht darin, dass in ferrimagnetischen Materialien verschiedene Arten von Atomen in der Elementarzelle des Materials vorhanden sind . Ein Beispiel dafür ist in der Abbildung rechts zu sehen. Hier zeigen die Atome mit einem kleineren magnetischen Moment in die entgegengesetzte Richtung der größeren Momente. Diese Anordnung ist der in antiferromagnetischen Materialien ähnlich, aber in ferrimagnetischen Materialien ist das Nettomoment ungleich Null, da sich die entgegengesetzten Momente in der Größe unterscheiden.

Ferrimagnete haben eine kritische Temperatur, oberhalb derer sie paramagnetisch werden, genau wie Ferromagnete. Bei dieser Temperatur ( Curie-Temperatur genannt ) gibt es einen Phasenübergang zweiter Ordnung und das System kann keine spontane Magnetisierung mehr aufrechterhalten. Dies liegt daran, dass bei höheren Temperaturen die thermische Bewegung stark genug ist, um die Ausrichtung der Dipole zu übersteigen.

Ableitung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Ferrimagnete zu beschreiben, von denen die einfachste die Mean-Field-Theorie ist . In der Mean-Field-Theorie kann das auf die Atome wirkende Feld geschrieben werden als:

Wo ist das angelegte Magnetfeld und das Feld, das durch die Wechselwirkungen zwischen den Atomen verursacht wird. Die folgende Annahme lautet dann:

Hier ist die durchschnittliche Magnetisierung des Gitters und der molekulare Feldkoeffizient. Wenn wir zulassen und positions- und orientierungsabhängig sind, können wir es dann in der Form schreiben:

Hier ist das auf die i- te Unterstruktur wirkende Feld und der molekulare Feldkoeffizient zwischen der i- ten und der k- ten Unterstruktur. Für ein zweiatomiges Gitter können wir zwei Arten von Plätzen bezeichnen, A und B. Wir können die Anzahl der magnetischen Ionen pro Volumeneinheit, den Anteil der magnetischen Ionen an den A-Stellen und den Anteil an den B-Stellen bezeichnen. Das ergibt dann:

Dies und das kann gezeigt werden, es sei denn, die Strukturen sind identisch. begünstigt eine parallele Ausrichtung von und , während eine antiparallele Ausrichtung begünstigt. Bei Ferrimagneten ist es daher zweckmäßig, eine positive Größe zu nehmen und das Minuszeichen explizit davor zu schreiben. Für die Summenfelder auf A und B ergibt sich dann:

Darüber hinaus werden wir die Parameter einführen und die geben das Verhältnis zwischen den Stärken der Wechselwirkungen. Als letztes stellen wir die reduzierten Magnetisierungen vor:

mit dem Spin des i- ten Elements. Das ergibt dann für die Felder:

Die Lösungen dieser Gleichungen (hier weggelassen) sind dann gegeben durch

wo ist die Brillouin-Funktion . Der einfachste Fall, der jetzt gelöst werden kann, ist . Seit . Daraus ergibt sich dann das folgende Gleichungspaar:

mit und . Diese Gleichungen haben keine bekannte analytische Lösung, daher müssen sie numerisch gelöst werden, um die Temperaturabhängigkeit von zu finden .

Auswirkungen der Temperatur

Im Gegensatz zum Ferromagnetismus können die Formen der Magnetisierungskurven des Ferrimagnetismus abhängig von der Stärke der Wechselwirkungen und der relativen Häufigkeit der Atome viele verschiedene Formen annehmen. Die bemerkenswertesten Beispiele für diese Eigenschaft sind, dass sich die Magnetisierungsrichtung beim Erhitzen eines ferrimagnetischen Materials vom absoluten Nullpunkt auf seine kritische Temperatur umkehren kann und dass die Magnetisierungsstärke beim Erhitzen eines ferrimagnetischen Materials auf die kritische Temperatur zunehmen kann, was beides nicht auftreten kann für ferromagnetische Materialien. Diese Temperaturabhängigkeiten wurden auch experimentell bei NiFe 2/5 Cr 8/5 O 4 und Li 1/2 Fe 5/4 Ce 5/4 O 4 beobachtet .

Eine Temperatur, die niedriger ist als die Curie-Temperatur , bei der jedoch die entgegengesetzten magnetischen Momente gleich sind (was zu einem magnetischen Nettomoment von Null führt), wird als Magnetisierungskompensationspunkt bezeichnet. Dieser Kompensationspunkt ist in Granaten und Seltenerd-Übergangsmetall-Legierungen (RE-TM) leicht zu beobachten. Darüber hinaus können Ferrimagnete auch einen Drehimpulskompensationspunkt aufweisen , an dem der Nettodrehimpuls verschwindet. Dieser Kompensationspunkt ist ein entscheidender Punkt zum Erreichen einer Hochgeschwindigkeits-Magnetisierungsumkehrung in magnetischen Speichervorrichtungen.

Wirkung externer Felder

Theoretisches Modell der Magnetisierung m gegen das Magnetfeld h . Ausgehend vom Ursprung ist die Aufwärtskurve die anfängliche Magnetisierungskurve . Die Abwärtskurve nach der Sättigung bildet zusammen mit der unteren Renditekurve die Hauptschleife . Die Achsenabschnitte h c und m rs sind die Koerzitivfeldstärke und die Sättigungsremanenz .

Wenn Ferrimagnete einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, zeigen sie eine sogenannte magnetische Hysterese , bei der das magnetische Verhalten von der Geschichte des Magneten abhängt. Sie weisen auch eine Sättigungsmagnetisierung auf ; diese Magnetisierung wird erreicht, wenn das äußere Feld stark genug ist, um alle Momente in die gleiche Richtung auszurichten. Wenn dieser Punkt erreicht ist, kann die Magnetisierung nicht mehr zunehmen, da keine Momente mehr zum Ausrichten vorhanden sind. Wenn das externe Feld entfernt wird, verschwindet die Magnetisierung des Ferrimagneten nicht, sondern es verbleibt eine Magnetisierung ungleich Null. Dieser Effekt wird häufig bei Magnetanwendungen genutzt. Wird anschließend ein äußeres Feld in entgegengesetzter Richtung angelegt, entmagnetisiert sich der Magnet weiter, bis er schließlich eine Magnetisierung von erreicht . Dieses Verhalten führt zu einer sogenannten Hystereseschleife .

Eigenschaften und Verwendungen

Ferrimagnetische Materialien haben einen hohen spezifischen Widerstand und haben anisotrope Eigenschaften. Die Anisotropie wird tatsächlich durch ein von außen angelegtes Feld induziert. Wenn dieses angelegte Feld mit den magnetischen Dipolen ausgerichtet wird, verursacht es ein magnetisches Netto-Dipolmoment und bewirkt, dass die magnetischen Dipole mit einer Frequenz präzedieren, die durch das angelegte Feld gesteuert wird, genannt Larmor oder Präzessionsfrequenz . Als besonderes Beispiel wechselwirkt ein Mikrowellensignal , das in der gleichen Richtung wie diese Präzession zirkular polarisiert ist, stark mit den magnetischen Dipolmomenten ; bei entgegengesetzter Polarisation ist die Wechselwirkung sehr gering. Bei starker Wechselwirkung kann das Mikrowellensignal das Material durchdringen. Diese Richtungseigenschaft wird beim Bau von Mikrowellengeräten wie Isolatoren , Zirkulatoren und Gyratoren verwendet . Ferrimagnetische Materialien werden auch zur Herstellung optischer Isolatoren und Zirkulatoren verwendet . Ferrimagnetische Mineralien in verschiedenen Gesteinsarten werden verwendet, um antike geomagnetische Eigenschaften der Erde und anderer Planeten zu untersuchen. Dieses Studiengebiet ist als Paläomagnetismus bekannt . Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Ferrimagnete wie Magnetit zur thermischen Energiespeicherung verwendet werden können .

Beispiele

Das älteste bekannte magnetische Material, Magnetit , ist eine ferrimagnetische Substanz. Die tetraedrischen und oktaedrischen Plätze seiner Kristallstruktur weisen entgegengesetzten Spin auf. Andere bekannte ferrimagnetische Materialien umfassen Yttrium-Eisen-Granat (YIG); kubische Ferrite aus Eisenoxiden mit anderen Elementen wie Aluminium , Kobalt , Nickel , Mangan und Zink ; und hexagonale Ferrite wie PbFe 12 O 19 und BaFe 12 O 19 und Pyrrhotit , Fe 1−x S.

Ferrimagnetismus kann auch in Einzelmolekülmagneten auftreten . Ein klassisches Beispiel ist ein zwölfkernigen Manganmolekül mit einer effektiven Spin S 10 = aus antiferromagnetischem Wechselwirkung abgeleitet auf Mn (IV) , Metallzentren mit Mn (III) und Mn (II) Metallzentren.

Siehe auch

Verweise

Externe Links