El sesgo de intercambio o anisotropía de intercambio se produce en bicapas (o multicapas) de materiales magnéticos, donde el comportamiento de magnetización dura de una película delgada antiferromagnética provoca un cambio en la curva de magnetización blanda de una película ferromagnética . El fenómeno del sesgo de intercambio es de enorme utilidad en la grabación magnética, donde se utiliza para fijar el estado de los cabezales de lectura de las unidades de disco duro exactamente en su punto de máxima sensibilidad; de ahí el término "sesgo".
La física esencial que subyace al fenómeno es la interacción de intercambio entre el antiferroimán y el ferroimán en su interfaz. Dado que los antiferroimanes tienen una magnetización neta pequeña o nula, su orientación de espín solo se ve débilmente influenciada por un campo magnético aplicado externamente. Una película ferromagnética blanda que está fuertemente acoplada por intercambio al antiferroimán tendrá sus espines interfaciales fijados. La inversión del momento del ferroimán tendrá un costo energético adicional correspondiente a la energía necesaria para crear una pared de dominio de Néel dentro de la película antiferromagnética. El término de energía adicional implica un cambio en el campo de conmutación del ferroimán. Por lo tanto, la curva de magnetización de una película ferromagnética polarizada por intercambio se parece a la del ferroimán normal, excepto que se aleja del eje H = 0 en una cantidad H b .
En la mayoría de las bicapas ferromagnéticas/antiferromagnéticas estudiadas, la temperatura de Curie del ferroimán es mayor que la temperatura de Néel T N del antiferroimán. Esta desigualdad significa que la dirección del sesgo de intercambio se puede establecer mediante enfriamiento a través de T N en presencia de un campo magnético aplicado. El momento del ferroimán ordenado magnéticamente aplicará un campo efectivo al antiferroimán a medida que ordena, rompiendo la simetría e influyendo en la formación de dominios.
El efecto de polarización de intercambio se atribuye a una anisotropía unidireccional ferromagnética formada en la interfaz entre diferentes fases magnéticas. Generalmente, el proceso de enfriamiento de campo desde una temperatura más alta se utiliza para obtener anisotropía unidireccional ferromagnética en diferentes sistemas de polarización de intercambio. En 2011, se ha observado una gran polarización de intercambio después del enfriamiento de campo cero desde un estado no magnetizado, que se atribuyó a la interfaz recién formada entre diferentes fases magnéticas durante el proceso de magnetización inicial.
La anisotropía de intercambio ha sido poco comprendida durante mucho tiempo debido a la dificultad de estudiar la dinámica de las paredes de dominio en películas antiferromagnéticas delgadas. Un enfoque ingenuo del problema sugeriría la siguiente expresión para la energía por unidad de área:
donde n es el número de interacciones de espines interfaciales por unidad de área, J ex es la constante de intercambio en la interfaz, S se refiere al vector de espín, M se refiere a la magnetización, t se refiere al espesor de la película y H es el campo externo. El subíndice F describe las propiedades del ferroimán y AF al antiferroimán. La expresión omite la anisotropía magnetocristalina , que no se ve afectada por la presencia del antiferroimán. En el campo de conmutación del ferroimán, la energía de fijación representada por el primer término y el acoplamiento dipolar Zeeman representado por el segundo término se equilibrarán exactamente. La ecuación predice entonces que el desplazamiento de polarización de intercambio H b estará dado por la expresión
Muchos hallazgos experimentales sobre el sesgo de intercambio contradicen este modelo simple. Por ejemplo, la magnitud de los valores de H b medidos es típicamente 100 veces menor que la predicha por la ecuación para valores razonables de los parámetros. La cantidad de desplazamiento de histéresis H b no está correlacionada con la densidad n de espines no compensados en el plano del antiferromagnético que aparece en la interfaz. Además, el efecto de sesgo de intercambio tiende a ser menor en las bicapas epitaxiales que en las policristalinas, lo que sugiere un papel importante para los defectos. En los últimos años se ha avanzado en la comprensión fundamental mediante experimentos de dicroísmo lineal magnético de elementos específicos basados en radiación de sincrotrón que pueden obtener imágenes de dominios antiferromagnéticos y mediciones de susceptibilidad magnética dependientes de la frecuencia que pueden investigar la dinámica. Los experimentos en los sistemas modelo Fe/FeF 2 y Fe/MnF 2 han sido particularmente fructíferos.
El sesgo de intercambio se utilizó inicialmente para estabilizar la magnetización de capas ferromagnéticas blandas en cabezales de lectura basados en el efecto de magnetorresistencia anisotrópica (AMR). Sin la estabilización, el estado del dominio magnético del cabezal podría ser impredecible, lo que generaría problemas de confiabilidad. Actualmente, el sesgo de intercambio se utiliza para fijar la capa de referencia más dura en cabezales de lectura con válvula de espín y circuitos de memoria MRAM que utilizan el efecto de magnetorresistencia gigante o de tunelización magnética . De manera similar, los medios de disco más avanzados están acoplados antiferromagnéticamente, haciendo uso del intercambio interfacial para aumentar de manera efectiva la estabilidad de partículas magnéticas pequeñas cuyo comportamiento de otra manera sería superparamagnético.
Las propiedades deseables para un material de polarización de intercambio incluyen una alta temperatura de Néel , una gran anisotropía magnetocristalina y una buena compatibilidad química y estructural con NiFe y Co, las películas ferromagnéticas más importantes. Los materiales de polarización de intercambio más significativos tecnológicamente han sido los óxidos antiferromagnéticos con estructura de sal de roca como NiO, CoO y sus aleaciones y los intermetálicos con estructura de sal de roca como FeMn, NiMn, IrMn y sus aleaciones.
La anisotropía de intercambio fue descubierta por Meiklejohn y Bean de General Electric en 1956. El primer dispositivo comercial que empleó la polarización de intercambio fue el cabezal de grabación de unidad de disco con magnetorresistencia anisotrópica (AMR) de IBM , que se basó en un diseño de Hunt en la década de 1970, pero que no desplazó por completo el cabezal de lectura inductiva hasta principios de la década de 1990. A mediados de la década de 1990, el cabezal de válvula de espín que utiliza una capa de polarización de intercambio estaba en camino de desplazar al cabezal AMR.
