En los materiales que exhiben antiferromagnetismo , los momentos magnéticos de los átomos o moléculas , generalmente relacionados con los espines de los electrones , se alinean en un patrón regular con los espines vecinos (en diferentes subredes) que apuntan en direcciones opuestas. Este es, al igual que el ferromagnetismo y el ferrimagnetismo , una manifestación del magnetismo ordenado . El fenómeno del antiferromagnetismo fue introducido por primera vez por Lev Landau en 1933. [1]
Generalmente, el orden antiferromagnético puede existir a temperaturas suficientemente bajas, pero desaparece a la temperatura de Néel y por encima de ella (llamada así en honor a Louis Néel , quien fue el primero en identificar este tipo de ordenamiento magnético en Occidente). [2] Por encima de la temperatura de Néel, el material suele ser paramagnético .
Cuando no se aplica ningún campo externo, la estructura antiferromagnética corresponde a una magnetización total que se desvanece. En un campo magnético externo, se puede mostrar una especie de comportamiento ferrimagnético en la fase antiferromagnética, con el valor absoluto de una de las magnetizaciones de la subred que difiere del de la otra subred, lo que resulta en una magnetización neta distinta de cero. Aunque la magnetización neta debería ser cero a una temperatura de cero absoluto , el efecto de inclinación del espín a menudo provoca que se desarrolle una pequeña magnetización neta, como se ve, por ejemplo, en la hematita . [ cita necesaria ]
La susceptibilidad magnética de un material antiferromagnético suele mostrar un máximo a la temperatura de Néel. Por el contrario, en la transición entre las fases ferromagnética y paramagnética la susceptibilidad divergerá. En el caso de los antiferromagnéticos se observa una divergencia en la susceptibilidad escalonada .
Varias interacciones microscópicas (de intercambio) entre los momentos o espines magnéticos pueden dar lugar a estructuras antiferromagnéticas. En el caso más simple, se puede considerar un modelo de Ising en una red bipartita, por ejemplo, la red cúbica simple , con acoplamientos entre espines en los sitios vecinos más cercanos. Dependiendo del signo de esa interacción, resultará un orden ferromagnético o antiferromagnético. La frustración geométrica o las interacciones ferromagnéticas y antiferromagnéticas en competencia pueden conducir a estructuras magnéticas diferentes y, quizás, más complicadas.
La relación entre la magnetización y el campo magnetizante no es lineal como en los materiales ferromagnéticos . Este hecho se debe a la contribución del bucle de histéresis , [3] que para materiales ferromagnéticos implica una magnetización residual .
Las estructuras antiferromagnéticas se demostraron por primera vez mediante difracción de neutrones de óxidos de metales de transición como los óxidos de níquel, hierro y manganeso. Los experimentos, realizados por Clifford Shull , dieron los primeros resultados que mostraban que los dipolos magnéticos podían orientarse en una estructura antiferromagnética. [4]
Los materiales antiferromagnéticos se encuentran comúnmente entre los compuestos de metales de transición , especialmente los óxidos. Los ejemplos incluyen hematita , metales como el cromo , aleaciones como el hierro manganeso (FeMn) y óxidos como el óxido de níquel (NiO). También hay numerosos ejemplos entre grupos de metales de alta nuclearidad. Las moléculas orgánicas también pueden exhibir un acoplamiento antiferromagnético en circunstancias excepcionales, como se observa en radicales como el 5-deshidro-m-xilileno .
Los antiferroimanes pueden acoplarse a ferroimanes, por ejemplo, a través de un mecanismo conocido como polarización de intercambio , en el que la película ferromagnética crece sobre el antiferroimán o se recoce en un campo magnético de alineación, lo que hace que los átomos de la superficie del ferroimán se alineen con los átomos de la superficie del ferroimán. el antiferromagnético. Esto proporciona la capacidad de "fijar" la orientación de una película ferromagnética , lo que proporciona uno de los usos principales en las llamadas válvulas de giro , que son la base de los sensores magnéticos, incluidos los modernos cabezales de lectura de discos duros . La temperatura a la cual o por encima de la cual una capa antiferromagnética pierde su capacidad de "fijar" la dirección de magnetización de una capa ferromagnética adyacente se denomina temperatura de bloqueo de esa capa y suele ser inferior a la temperatura de Néel.
A diferencia del ferromagnetismo, las interacciones antiferromagnéticas pueden conducir a múltiples estados óptimos (estados fundamentales, estados de energía mínima). En una dimensión, el estado fundamental antiferromagnético es una serie alterna de espines: arriba, abajo, arriba, abajo, etc. Sin embargo, en dos dimensiones, pueden ocurrir múltiples estados fundamentales.
Consideremos un triángulo equilátero con tres espines, uno en cada vértice. Si cada giro puede tomar sólo dos valores (arriba o abajo), hay 2 3 = 8 estados posibles del sistema, seis de los cuales son estados fundamentales. Las dos situaciones que no son estados fundamentales son cuando los tres giros están hacia arriba o hacia abajo. En cualquiera de los otros seis estados habrá dos interacciones favorables y una desfavorable. Esto ilustra la frustración : la incapacidad del sistema para encontrar un único estado fundamental. Este tipo de comportamiento magnético se ha encontrado en minerales que tienen una estructura de apilamiento cristalino como una red de Kagome o una red hexagonal .
Los antiferroimanes sintéticos (a menudo abreviados como SAF) son antiferroimanes artificiales que constan de dos o más capas ferromagnéticas delgadas separadas por una capa no magnética. [5] El acoplamiento dipolar de las capas ferromagnéticas da como resultado una alineación antiparalela de la magnetización de los ferroimanes.
El antiferromagnetismo desempeña un papel crucial en la magnetorresistencia gigante , como lo descubrieron en 1988 los premios Nobel Albert Fert y Peter Grünberg (concedido en 2007) utilizando antiferromagnetos sintéticos.
También hay ejemplos de materiales desordenados (como los vidrios de fosfato de hierro) que se vuelven antiferromagnéticos por debajo de su temperatura Néel. Estas redes desordenadas "frustran" el antiparalelismo de los espines adyacentes; es decir, no es posible construir una red donde cada espín esté rodeado por espines vecinos opuestos. Sólo se puede determinar que la correlación promedio de los espines vecinos es antiferromagnética. Este tipo de magnetismo a veces se denomina esperomagnetismo .
Medios relacionados con el antiferromagnetismo en Wikimedia Commons