Anisotropía magnética

Dependencia direccional de las susceptibilidades magnéticas de las sustancias.

En física de la materia condensada , la anisotropía magnética describe cómo las propiedades magnéticas de un objeto pueden ser diferentes según la dirección . En el caso más simple, no existe una dirección preferencial para el momento magnético de un objeto . Responderá a un campo magnético aplicado de la misma manera, independientemente de la dirección en la que se aplique el campo. Esto se conoce como isotropía magnética . Por el contrario, los materiales magnéticamente anisotrópicos serán más fáciles o más difíciles de magnetizar dependiendo de en qué dirección se gire el objeto.

Para la mayoría de los materiales magnéticamente anisotrópicos, existen dos direcciones más fáciles para magnetizar el material, que están separadas por una rotación de 180°. La línea paralela a estas direcciones se llama eje fácil . En otras palabras, el eje fácil es una dirección energéticamente favorable de magnetización espontánea . Debido a que las dos direcciones opuestas a lo largo de un eje fácil suelen ser igualmente fáciles de magnetizar, la dirección real de magnetización puede establecerse con la misma facilidad en cualquier dirección, lo cual es un ejemplo de ruptura espontánea de simetría .

La anisotropía magnética es un requisito previo para la histéresis en los ferromagnetos : sin ella, un ferromagneto es superparamagnético . ^[1]

Fuentes

La anisotropía magnética observada en un objeto puede ocurrir por varias razones diferentes. En lugar de tener una causa única, la anisotropía magnética general de un objeto determinado a menudo se explica por una combinación de estos diferentes factores: ^[2]

Anisotropía magnetocristalina

La estructura atómica de un cristal introduce direcciones preferenciales para la magnetización .

Anisotropía de forma

Cuando una partícula no es perfectamente esférica, el campo desmagnetizador no será igual en todas las direcciones, creando uno o más ejes fáciles.

Anisotropía magnetoelástica

La tensión puede alterar el comportamiento magnético y provocar anisotropía magnética.

Anisotropía de intercambio

Ocurre cuando interactúan materiales antiferromagnéticos y ferromagnéticos . ^[3]

A nivel molecular

Ejemplos de anisotropía magnética y NOE.

En la figura se muestra la anisotropía magnética de un anillo de benceno (A), alqueno (B), carbonilo (C), alquino (D) y una molécula más compleja (E). Cada uno de estos grupos funcionales insaturados (AD) crea un pequeño campo magnético y, por tanto, algunas regiones anisotrópicas locales (mostradas como conos) en las que los efectos de protección y los cambios químicos son inusuales. El compuesto bisazo (E) muestra que el protón designado {H} puede aparecer en diferentes cambios químicos dependiendo del estado de fotoisomerización de los grupos azo. ^[4] El isómero trans mantiene al protón {H} lejos del cono del anillo de benceno, por lo que la anisotropía magnética no está presente. Mientras que la forma cis retiene el protón {H} en las proximidades del cono, lo protege y disminuye su desplazamiento químico. ^[4] Este fenómeno permite un nuevo conjunto de interacciones del efecto nuclear Overhauser (NOE) (que se muestran en rojo) que surgen además de las previamente existentes (que se muestran en azul).

Imán de dominio único

Supongamos que un ferroimán es de dominio único en el sentido más estricto: la magnetización es uniforme y gira al unísono. Si el momento magnético es y el volumen de la partícula es , la magnetización es , donde es la magnetización de saturación y son los cosenos directores (componentes de un vector unitario ), entonces . La energía asociada con la anisotropía magnética puede depender de los cosenos directores de varias maneras, las más comunes se analizan a continuación. ${\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \mathbf {M} ={\boldsymbol {\mu }}/V=M_{s}\left(\alpha ,\beta ,\gamma \right)}$ ${\displaystyle M_{s}}$ ${\displaystyle \alpha ,\beta ,\gamma }$ ${\displaystyle \alpha ^{2}+\beta ^{2}+\gamma ^{2}=1}$

uniaxial

Una partícula magnética con anisotropía uniaxial tiene un eje fácil. Si el eje fácil está en la dirección, la energía de anisotropía se puede expresar como una de las formas: ${\displaystyle z}$

${\displaystyle E=KV\left(1-\gamma ^{2}\right)=KV\sin ^{2}\theta ,}$

donde está el volumen, la constante de anisotropía y el ángulo entre el eje fácil y la magnetización de la partícula. Cuando se considera explícitamente la anisotropía de la forma, el símbolo se utiliza a menudo para indicar la constante de anisotropía, en lugar de . En el modelo Stoner-Wohlfarth , ampliamente utilizado , la anisotropía es uniaxial. ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle {\mathcal {N}}}$ ${\displaystyle K}$

Triaxial

Una partícula magnética con anisotropía triaxial todavía tiene un único eje fácil, pero también tiene un eje duro (dirección de energía máxima) y un eje intermedio (dirección asociada con un punto de silla en la energía). Las coordenadas se pueden elegir para que la energía tenga la forma.

${\displaystyle E=K_{a}V\alpha ^{2}+K_{b}V\beta ^{2}.}$

Si el eje fácil es la dirección, el eje intermedio es la dirección y el eje duro es la dirección. ^[5] ${\displaystyle K_{a}>K_{b}>0,}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle x}$

Cúbico

Una partícula magnética con anisotropía cúbica tiene tres o cuatro ejes fáciles, dependiendo de los parámetros de anisotropía. La energía tiene la forma.

${\displaystyle E=KV\left(\alpha ^{2}\beta ^{2}+\beta ^{2}\gamma ^{2}+\gamma ^{2}\alpha ^{2}\right).}$

Si los ejes fáciles son los ejes y . Si hay cuatro ejes fáciles caracterizados por . ${\displaystyle K>0,}$ ${\displaystyle x,y,}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle K<0,}$ ${\displaystyle x=\pm y=\pm z}$

Ver también

• Anisotropía de fluorescencia

Referencias

1. Aharoni, Amikam (1996). Introducción a la Teoría del Ferromagnetismo . Prensa de Clarendon . ISBN 978-0-19-851791-7.
2. McCaig, Malcolm (1977). Imanes permanentes en teoría y práctica . Prensa Pentech. ISBN 978-0-7273-1604-2.
3. Meiklejohn, WH; Frijol, CP (3 de febrero de 1957). "Nueva anisotropía magnética". Revisión física . 105 (3): 904–913. Código bibliográfico : 1957PhRv..105..904M. doi : 10.1103/PhysRev.105.904.
4. Kazem-Rostami, Masoud; Akhmedov, Novruz G.; Faramarzi, Sadegh (2019). "Estudios espectroscópicos y computacionales de la fotoisomerización de análogos de bases bisazo Tröger". Revista de estructura molecular . 1178 : 538–543. Código Bib : 2019JMoSt1178..538K. doi :10.1016/j.molstruc.2018.10.071. S2CID  105312344.
5. Donahue, Michael J.; Porter, Donald G. (2002). "Análisis de conmutación en cuerpos uniformemente magnetizados". Transacciones IEEE sobre magnetismo . 38 (5): 2468–2470. Código Bib : 2002ITM....38.2468D. CiteSeerX 10.1.1.6.6007 . doi :10.1109/TMAG.2002.803616. 

Otras lecturas

• Tyablikov, SV (1995). Métodos de la teoría cuántica del magnetismo (traducido al inglés) (1ª ed.). Saltador . ISBN 978-0-306-30263-3.