Anisotropía magnética

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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 hay 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 según la dirección en la que 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 denomina 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 equivalentemente fáciles de magnetizar, la dirección real de magnetización puede establecerse con la misma facilidad en cualquiera de las dos direcciones, lo que es un ejemplo de ruptura espontánea de la simetría .

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

La anisotropía magnética observada en un objeto puede deberse a varias razones diferentes. En lugar de tener una única causa, la anisotropía magnética general de un objeto determinado suele explicarse 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 para todas las direcciones, creando uno o más ejes fáciles.

Anisotropía magnetoelástica

La tensión puede alterar el comportamiento magnético, dando lugar a anisotropía magnética.

Anisotropía de intercambio

Se produce cuando interactúan materiales antiferromagnéticos y ferromagnéticos . ^[3]

La anisotropía magnética de un anillo de benceno (A), un alqueno (B), un carbonilo (C), un alquino (D) y una molécula más compleja (E) se muestran en la figura. Cada uno de estos grupos funcionales insaturados (AD) crea un campo magnético minúsculo y, por lo tanto, algunas regiones anisotrópicas locales (mostradas como conos) en las que los efectos de protección y los desplazamientos químicos son inusuales. El compuesto bisazo (E) muestra que el protón designado {H} puede aparecer en diferentes desplazamientos 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 mantiene al protón {H} en la proximidad del cono, lo protege y disminuye su desplazamiento químico. ^[4] Este fenómeno permite un nuevo conjunto de interacciones de efecto Overhauser nuclear (NOE) (mostradas en rojo) que surgen además de las ya existentes (mostradas en azul).

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 cosenos directores (componentes de un vector unitario ), por lo que . La energía asociada con la anisotropía magnética puede depender de los cosenos directores de varias maneras, las más comunes de las cuales se analizan a continuación.${\displaystyle {\boldsymbol {\mu }}}$${\estilo de visualización V}$${\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}$

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 de una de las siguientes formas:${\estilo de visualización z}$

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

donde es 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 forma, se suele utilizar el símbolo para indicar la constante de anisotropía, en lugar de . En el modelo de Stoner-Wohlfarth ampliamente utilizado , la anisotropía es uniaxial.${\estilo de visualización V}$${\estilo de visualización K}$${\estilo de visualización \theta}$${\displaystyle {\mathcal {N}}}$${\estilo de visualización K}$

Una partícula magnética con anisotropía triaxial sigue teniendo un único eje fácil, pero también tiene un eje duro (dirección de máxima energía) y un eje intermedio (dirección asociada a un punto de silla en la energía). Las coordenadas se pueden elegir de forma 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,}$${\estilo de visualización z}$${\estilo de visualización y}$${\estilo de visualización x}$

Una partícula magnética con anisotropía cúbica tiene tres o cuatro ejes sencillos, 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,}$${\estilo de visualización x,y,}$${\estilo de visualización z}$${\displaystyle K<0,}$${\displaystyle x=\pm y=\pm z}$

• Anisotropía de fluorescencia