El sesgo de intercambio o la anisotropía de intercambio ocurre 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 suave 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 antiferromagnet y el ferromagnet en su interfaz. Dado que los antiferromagnetos tienen una magnetización neta pequeña o nula, su orientación de espín sólo 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 agregada implica un cambio en el campo de conmutación del ferroimán. Por lo tanto, la curva de magnetización de una película ferromagnética con polarización de intercambio se parece a la del ferroimán normal excepto que se aleja del eje H=0 en una cantidad Hb .
En la mayoría de las bicapas de ferromagnet/antiferromagnet bien estudiadas, la temperatura de Curie del ferromagnet es mayor que la temperatura de Néel T N del antiferromagnet. Esta desigualdad significa que la dirección del sesgo de intercambio se puede establecer enfriando a través de T N en presencia de un campo magnético aplicado. El momento del ferroimán magnético ordenado aplicará un campo efectivo al antiferroimán a medida que se ordene, rompiendo la simetría e influyendo en la formación de dominios.
El efecto de sesgo de intercambio se atribuye a una anisotropía unidireccional ferromagnética formada en la interfaz entre diferentes fases magnéticas. Generalmente, el proceso de enfriamiento de campo a partir de una temperatura más alta se utiliza para obtener anisotropía ferromagnética unidireccional en diferentes sistemas de polarización de intercambio. En 2011, se observó un gran sesgo 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 no se ha comprendido bien durante mucho tiempo debido a la dificultad de estudiar la dinámica de las paredes de dominio en películas antiferromagnéticas delgadas. Una aproximación ingenua al 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 del 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 dipolo Zeeman representado por el segundo término se equilibrarán exactamente. La ecuación entonces predice que el desplazamiento del sesgo cambiario H b vendrá dado por la expresión
Muchos hallazgos experimentales sobre el sesgo cambiario contradicen este modelo simple. Por ejemplo, la magnitud de los valores medidos de H b suele ser 100 veces menor que la predicha por la ecuación para valores razonables de los parámetros. La cantidad de cambio de histéresis H b no está correlacionada con la densidad n de espines no compensados en el plano del antiferroimán que aparece en la interfaz. Además, el efecto del 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 han logrado avances en la comprensión fundamental a través de experimentos de dicroísmo lineal magnético de elementos específicos basados en radiación sincrotrón que pueden obtener imágenes de dominios antiferromagnéticos y mediciones de susceptibilidad magnética dependientes de la frecuencia que pueden sondear la dinámica. Los experimentos con los sistemas modelo Fe/FeF 2 y Fe/MnF 2 han resultado especialmente fructíferos.
El sesgo de intercambio se utilizó inicialmente para estabilizar la magnetización de capas ferromagnéticas blandas en cabezales de lectura basándose en el efecto de magnetorresistencia anisotrópica (AMR). Sin la estabilización, el estado del dominio magnético del cabezal podría ser impredecible, lo que provocaría problemas de fiabilidad. Actualmente, el sesgo de intercambio se utiliza para fijar la capa de referencia más dura en cabezales de lectura de válvulas de giro y circuitos de memoria MRAM que utilizan la magnetorresistencia gigante o efecto de túnel magnético . De manera similar, los medios de disco más avanzados están acoplados antiferromagnéticamente, haciendo uso del intercambio interfacial para aumentar efectivamente la estabilidad de pequeñas partículas magnéticas cuyo comportamiento de otro modo 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 con sesgo de intercambio de mayor importancia tecnológica han sido los óxidos antiferromagnéticos de estructura de sal gema como NiO, CoO y sus aleaciones y los intermetálicos de estructura de sal gema 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 el sesgo de intercambio fue el cabezal de grabación de unidad de disco de magnetorresistencia anisotrópica (AMR) de IBM , que se basó en un diseño de Hunt en la década de 1970, pero que no Desplazar completamente el cabezal de lectura inductiva hasta principios de los años 1990. A mediados de la década de 1990, el cabezal de la válvula de giro que utilizaba una capa de polarización de intercambio estaba en camino de desplazar al cabezal AMR.
