Magnetische Struktur - Magnetic structure

Eine sehr einfache ferromagnetische Struktur

Eine sehr einfache antiferromagnetische Struktur

Eine andere einfache antiferromagnetische Anordnung in 2D

Der Begriff magnetische Struktur eines Materials bezieht sich auf die geordnete Anordnung magnetischer Spins, typischerweise innerhalb eines geordneten kristallographischen Gitters . Sein Studium ist ein Zweig der Festkörperphysik .

Magnetische Strukturen

Die meisten festen Materialien sind nicht magnetisch, dh sie weisen keine magnetische Struktur auf. Aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips wird jeder Zustand von Elektronen entgegengesetzter Spins besetzt, sodass die Ladungsdichte überall kompensiert wird und der Spin-Freiheitsgrad trivial ist. Dennoch zeigen solche Materialien typischerweise ein schwaches magnetisches Verhalten, zB aufgrund von Pauli- Paramagnetismus oder Langevin- oder Landau- Diamagnetismus .

Der interessantere Fall ist, wenn das Elektron des Materials spontan die oben erwähnte Symmetrie bricht. Für Ferromagnetismus im Grundzustand gibt es eine gemeinsame Spinquantisierungsachse und einen globalen Überschuss an Elektronen einer gegebenen Spinquantenzahl, es gibt mehr Elektronen, die in eine Richtung zeigen als in die andere, was eine makroskopische Magnetisierung ergibt (typischerweise die Mehrheitselektronen sind so gewählt, dass sie nach oben zeigen). In den einfachsten (kollinearen) Fällen von Antiferromagnetismus gibt es immer noch eine gemeinsame Quantisierungsachse, aber die Elektronenspins zeigen abwechselnd nach oben und unten, was wiederum zur Aufhebung der makroskopischen Magnetisierung führt. Gerade im Falle einer Frustration der Wechselwirkungen können die resultierenden Strukturen jedoch viel komplizierter werden, mit inhärent dreidimensionalen Orientierungen der lokalen Spins. Schließlich ist der Ferrimagnetismus, wie er prototypisch von Magnetit gezeigt wird, in gewissem Sinne ein Zwischenfall: Hier ist die Magnetisierung global unkompensiert wie beim Ferromagnetismus, aber die lokale Magnetisierung weist in verschiedene Richtungen.

Die obige Diskussion bezieht sich auf die Grundzustandsstruktur. Natürlich führen endliche Temperaturen zu Anregungen der Spinkonfiguration. Hier können zwei extreme Standpunkte gegenübergestellt werden: Im Stoner-Bild des Magnetismus (auch Wandermagnetismus genannt) sind die elektronischen Zustände delokalisiert, und ihre mittlere Feldwechselwirkung führt zur Symmetriebrechung. Aus dieser Sicht würde die lokale Magnetisierung mit steigender Temperatur also homogen abnehmen, da einzelne delokalisierte Elektronen vom Aufwärts- zum Abwärtskanal bewegt werden. Andererseits sind im Fall des lokalen Moments die elektronischen Zustände auf bestimmte Atome lokalisiert, was zu Atomspins führt, die nur über einen kurzen Bereich wechselwirken und typischerweise mit dem Heisenberg-Modell analysiert werden . Hier führen endliche Temperaturen zu einer Abweichung der Orientierungen der Atomspins von der idealen Konfiguration, wodurch bei einem Ferromagneten auch die makroskopische Magnetisierung verringert wird.

Für lokalisierten Magnetismus können viele magnetische Strukturen durch magnetische Raumgruppen beschrieben werden , die eine genaue Erklärung für alle möglichen Symmetriegruppen von oben/unten-Konfigurationen in einem dreidimensionalen Kristall liefern. Dieser Formalismus ist jedoch nicht in der Lage, einige komplexere magnetische Strukturen, wie sie im Helimagnetismus gefunden werden, zu erklären .

Techniken, um sie zu studieren

Eine solche Anordnung kann untersucht werden, indem man die magnetische Suszeptibilität als Funktion der Temperatur und/oder der Größe des angelegten Magnetfelds beobachtet, aber ein wirklich dreidimensionales Bild der Anordnung der Spins erhält man am besten mittels Neutronenbeugung . Neutronen werden hauptsächlich an den Kernen der Atome in der Struktur gestreut. Bei einer Temperatur oberhalb des Ordnungspunktes der magnetischen Momente, wo sich das Material paramagnetisch verhält, liefert die Neutronenbeugung daher nur ein Bild der kristallographischen Struktur. Unterhalb des Ordnungspunktes, zB der Néel-Temperatur eines Antiferromagneten oder des Curie-Punktes eines Ferromagneten, erfahren die Neutronen auch eine Streuung an den magnetischen Momenten, da sie selbst Spin besitzen. Die Intensitäten der Bragg-Reflexe ändern sich daher. Tatsächlich treten in manchen Fällen ganz neue Bragg-Reflexe auf, wenn die Elementarzelle der Ordnung größer ist als die der kristallographischen Struktur. Dies ist eine Form der Aufbaubildung . Somit kann die Symmetrie der Gesamtstruktur durchaus von der kristallographischen Unterstruktur abweichen. Es muss von einer der 1651 magnetischen (Shubnikov) Gruppen beschrieben werden und nicht von einer der nichtmagnetischen Raumgruppen .

Obwohl die gewöhnliche Röntgenbeugung für die Anordnung der Spins „blind“ ist, ist es möglich geworden, eine spezielle Form der Röntgenbeugung zu verwenden, um die magnetische Struktur zu untersuchen. Wenn eine Wellenlänge gewählt wird, die nahe an einer Absorptionskante eines der in den Materialien enthaltenen Elemente liegt, wird die Streuung anormal und diese Streukomponente reagiert (etwas) empfindlich auf die nicht-sphärische Form der äußeren Elektronen eines Atoms mit an ungepaarter Spin. Dies bedeutet, dass diese Art der anomalen Röntgenbeugung Informationen des gewünschten Typs enthält.

In jüngerer Zeit werden Table-Top-Techniken entwickelt, die es ermöglichen, magnetische Strukturen ohne Rückgriff auf Neutronen- oder Synchrotronquellen zu untersuchen.

Magnetische Struktur der chemischen Elemente

Nur drei Elemente sind bei Raumtemperatur und Druck ferromagnetisch : Eisen , Kobalt und Nickel . Dies liegt daran, dass ihre Curie-Temperatur , Tc, höher ist als die Raumtemperatur (Tc > 298 K). Gadolinium hat eine spontane Magnetisierung knapp unter Raumtemperatur (293 K) und wird manchmal als viertes ferromagnetisches Element gezählt. Es gab einige Vermutungen, dass Gadolinium eine helimagnetische Ordnung hat, aber andere verteidigen die seit langem bestehende Ansicht, dass Gadolinium ein konventioneller Ferromagnet ist.

Die Elemente Dysprosium und Erbium haben jeweils zwei magnetische Übergänge. Sie sind bei Raumtemperatur paramagnetisch, werden jedoch unterhalb ihrer jeweiligen Néel-Temperaturen helimagnetisch und werden dann unterhalb ihrer Curie-Temperaturen ferromagnetisch. Die Elemente Holmium , Terbium und Thulium weisen noch kompliziertere magnetische Strukturen auf.

Es gibt auch eine antiferromagnetische Ordnung, die oberhalb der Néel-Temperatur ungeordnet wird . Chrom ist ein bisschen wie ein einfacher Antiferromagnet, hat aber zusätzlich zu der einfachen Auf-Ab-Spin-Wechsel eine unangemessene Spindichte-Wellenmodulation . Mangan (in der α-Mn-Form) hat 29 Atome Elementarzelle , was zu einer komplexen, aber entsprechenden antiferromagnetischen Anordnung bei niedrigen Temperaturen führt ( magnetische Raumgruppe P 4 2'm'). Im Gegensatz zu den meisten Elementen, die aufgrund von Elektronen magnetisch sind, wird die magnetische Ordnung von Kupfer und Silber von dem viel schwächeren magnetischen Kernmoment dominiert (vergleiche Bohr Magneton und Kernmagneton ), was zu Übergangstemperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt führt .

Diejenigen Elemente, die Supraleiter werden, zeigen Superdiamagnetismus unterhalb einer kritischen Temperatur.

Verweise