Antiferromagnetismo

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Física de la materia condensada
Fases Transición de fase PCC
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Fenómenos de fase Parámetro de orden Transición de fase PCC
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En los materiales que presentan antiferromagnetismo , los momentos magnéticos de los átomos o moléculas , generalmente relacionados con los espines de los electrones , se alinean en un patrón regular con espines vecinos (en diferentes subredes) apuntando en direcciones opuestas. Esto es, como 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 partir de la temperatura de Néel (llamada así en honor a Louis Néel , quien identificó por primera vez en Occidente este tipo de ordenamiento magnético). ^[2] Por encima de la temperatura de Néel, el material es típicamente paramagnético .

Cuando no se aplica ningún campo externo, la estructura antiferromagnética corresponde a una magnetización total que desaparece. En un campo magnético externo, puede presentarse un tipo de comportamiento ferromagnético en la fase antiferromagnética, en la que el valor absoluto de una de las magnetizaciones de la subred difiere del de la otra subred, lo que da como resultado una magnetización neta distinta de cero. Aunque la magnetización neta debería ser cero a una temperatura de cero absoluto , el efecto de la inclinación del espín a menudo hace que se desarrolle una pequeña magnetización neta, como se observa, por ejemplo, en la hematita . ^{[ cita requerida ]}

La susceptibilidad magnética de un material antiferromagnético suele alcanzar un máximo a la temperatura de Néel. Por el contrario, en la transición entre las fases ferromagnética y paramagnética, la susceptibilidad diverge. En el caso del material antiferromagnético, se observa una divergencia en la susceptibilidad escalonada .

Varias interacciones microscópicas (de intercambio) entre los momentos magnéticos o los espines 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, se obtendrá un orden ferromagnético o antiferromagnético. La frustración geométrica o las interacciones ferro- y antiferromagnéticas competitivas pueden dar lugar a estructuras magnéticas diferentes y, tal vez, 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 los materiales ferromagnéticos implica una magnetización residual .

Las estructuras antiferromagnéticas se demostraron por primera vez mediante la 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 óxidos. Algunos ejemplos son la hematita , metales como el cromo , aleaciones como el hierro manganeso (FeMn) y óxidos como el óxido de níquel (NiO). También hay numerosos ejemplos entre los grupos de metales de alta nuclearidad. Las moléculas orgánicas también pueden exhibir acoplamiento antiferromagnético en circunstancias raras, 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 se hace crecer 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 antiferroimán. Esto proporciona la capacidad de "fijar" la orientación de una película ferromagnética, lo que proporciona uno de los principales usos en las llamadas válvulas de espín , que son la base de los sensores magnéticos, incluidos los cabezales de lectura de las unidades de disco duro modernas . La temperatura a la que 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 dar lugar a múltiples estados óptimos (estados fundamentales, es decir, estados de energía mínima). En una dimensión, el estado fundamental antiferromagnético es una serie alternada de espines: arriba, abajo, arriba, abajo, etc. Sin embargo, en dos dimensiones pueden darse múltiples estados fundamentales.

Consideremos un triángulo equilátero con tres espines, uno en cada vértice. Si cada espín 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 espines están arriba o están todos 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 de cristales como una red de Kagome o una red hexagonal .

Los antiferroimanes sintéticos (a menudo abreviados como SAF) son antiferroimanes artificiales que consisten en 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 juega un papel crucial en la magnetorresistencia gigante , como fue descubierto en 1988 por los premios Nobel Albert Fert y Peter Grünberg (premiado en 2007) utilizando antiferroimanes sintéticos.

También hay ejemplos de materiales desordenados (como los vidrios de fosfato de hierro) que se vuelven antiferromagnéticos por debajo de su temperatura de Néel. Estas redes desordenadas "frustran" el antiparalelismo de los espines adyacentes; es decir, no es posible construir una red en la que cada espín esté rodeado por espines vecinos opuestos. Solo se puede determinar que la correlación media de los espines vecinos es antiferromagnética. Este tipo de magnetismo a veces se denomina esperomagnetismo .

• Sesgo 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.Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Magnetorresistencia gigante  – Fenómeno que implica el cambio de conductividad en capas metálicas
• Imán geométricamente frustrado  : fenómeno en el que los átomos tienden a adherirse a posiciones no triviales; conjunto de grados de libertad incompatible con el espacio ocupadoPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Modelo de Ising  – Modelo matemático del ferromagnetismo en mecánica estadística
• Modelo ANNNI  – Variante del modelo de Ising
• Mottness  – Materiales que clásicamente se predijo que eran conductores, pero que en realidad son aislantes.Pages displaying short descriptions of redirect targets
• Líquido de espín cuántico  – Fase de la materia
• Ferromagnetismo  : mecanismo por el cual los materiales se transforman en imanes y son atraídos por ellos.
• Diamagnetismo  – Propiedad magnética de los materiales ordinarios

• Medios relacionados con el antiferromagnetismo en Wikimedia Commons
• Magnetismo: modelos y mecanismos en E. Pavarini, E. Koch y U. Schollwöck: fenómenos emergentes en materia correlacionada, Jülich 2013, ISBN 978-3-89336-884-6