Ferromagnetismo

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Física de la materia condensada
Fases Transición de fase PCC
Estados de la materia Sólido Líquido Gas Plasma Bose–Einstein condensate Bose gas Fermionic condensate Fermi gas Fermi liquid Supersolid Superfluidity Luttinger liquid Time crystal
Phase phenomena Order parameter Phase transition QCP
Electronic phases Electronic band structure Plasma Insulator Mott insulator Semiconductor Semimetal Conductor Superconductor Thermoelectric Piezoelectric Ferroelectric Topological insulator Spin gapless semiconductor
Electronic phenomena Quantum Hall effect Spin Hall effect Kondo effect
Magnetic phases Diamagnet Superdiamagnet Paramagnet Superparamagnet Ferromagnet Antiferromagnet Metamagnet Spin glass
Quasiparticles Phonon Exciton Plasmon Polariton Polaron Magnon Roton
Soft matter Amorphous solid Colloid Granular material Liquid crystal Polymer
Scientists Van der Waals Onnes von Laue Bragg Debye Bloch Onsager Mott Peierls Landau Luttinger Anderson Van Vleck Hubbard Shockley Bardeen Cooper Schrieffer Josephson Louis Néel Esaki Giaever Kohn Kadanoff Fisher Wilson von Klitzing Binnig Rohrer Bednorz Müller Laughlin Störmer Yang Tsui Abrikosov Ginzburg Leggett Parisi Wetterich Perdew
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El ferromagnetismo es una propiedad de ciertos materiales (como el hierro ) que da como resultado una permeabilidad magnética significativa y observable y, en muchos casos, una coercitividad magnética significativa , lo que permite que el material forme un imán permanente . Los materiales ferromagnéticos son notablemente atraídos por un imán, lo que es una consecuencia de su permeabilidad magnética sustancial.

La permeabilidad magnética describe la magnetización inducida de un material debido a la presencia de un campo magnético externo. Por ejemplo, esta magnetización temporal dentro de una placa de acero explica la atracción de la placa hacia un imán. El que esa placa de acero adquiera o no magnetización permanente depende tanto de la fuerza del campo aplicado como de la coercitividad de esa pieza de acero en particular (que varía con la composición química del acero y cualquier tratamiento térmico al que haya sido sometido).

En física , se han distinguido múltiples tipos de magnetismo material. El ferromagnetismo (junto con el efecto similar , el ferrimagnetismo ) es el tipo más fuerte y es responsable del fenómeno común del magnetismo cotidiano. ^[1] Un ejemplo de un imán permanente formado a partir de un material ferromagnético es un imán de refrigerador . ^[2]

Las sustancias responden débilmente a otros tres tipos de magnetismo ( paramagnetismo , diamagnetismo y antiferromagnetismo ), pero las fuerzas suelen ser tan débiles que sólo pueden detectarse con instrumentos de laboratorio.

Los imanes permanentes (materiales que pueden ser magnetizados por un campo magnético externo y permanecer magnetizados después de que se elimine el campo externo) son ferromagnéticos o ferromagnéticos, al igual que los materiales que son atraídos por ellos. Relativamente pocos materiales son ferromagnéticos. Por lo general, son formas puras, aleaciones o compuestos de hierro , cobalto , níquel y ciertos metales de tierras raras .

El ferromagnetismo es vital en las aplicaciones industriales y las tecnologías modernas, y constituye la base de dispositivos eléctricos y electromecánicos como electroimanes , motores eléctricos , generadores , transformadores , almacenamiento magnético (incluidas grabadoras y discos duros ) y pruebas no destructivas de materiales ferrosos.

Los materiales ferromagnéticos se pueden dividir en materiales magnéticamente blandos (como el hierro recocido ), que no tienden a permanecer magnetizados, y materiales magnéticamente duros, que sí lo hacen. Los imanes permanentes están hechos de materiales ferromagnéticos duros (como el alnico ) y materiales ferromagnéticos (como la ferrita ) que se someten a un procesamiento especial en un campo magnético fuerte durante la fabricación para alinear su estructura microcristalina interna , lo que dificulta su desmagnetización. Para desmagnetizar un imán saturado, se debe aplicar un campo magnético. El umbral en el que se produce la desmagnetización depende de la coercitividad del material. Los materiales magnéticamente duros tienen una coercitividad alta, mientras que los materiales magnéticamente blandos tienen una coercitividad baja.

La fuerza total de un imán se mide por su momento magnético o, alternativamente, por su flujo magnético total . La fuerza local del magnetismo en un material se mide por su magnetización .

Históricamente, el término ferromagnetismo se utilizaba para cualquier material que pudiera exhibir magnetización espontánea : un momento magnético neto en ausencia de un campo magnético externo; es decir, cualquier material que pudiera convertirse en un imán . Esta definición todavía se usa comúnmente. ^[3]

En un artículo de referencia de 1948, Louis Néel demostró que este comportamiento se produce en dos niveles de alineación magnética. Uno es el ferromagnetismo en sentido estricto, en el que todos los momentos magnéticos están alineados. El otro es el ferrimagnetismo , en el que algunos momentos magnéticos apuntan en dirección opuesta pero tienen una contribución menor, por lo que hay magnetización espontánea. ^{[4] [5] : 28–29}

En el caso especial en que los momentos opuestos se equilibran completamente, la alineación se conoce como antiferromagnetismo ; los antiferroimanes no tienen una magnetización espontánea.

El ferromagnetismo es una propiedad inusual que se da en sólo unas pocas sustancias. Las más comunes son los metales de transición hierro , níquel y cobalto , así como sus aleaciones y aleaciones de metales de tierras raras . Es una propiedad no sólo de la composición química de un material, sino de su estructura cristalina y microestructura. El ferromagnetismo resulta de que estos materiales tienen muchos electrones desapareados en su bloque d (en el caso del hierro y sus parientes) o f (en el caso de los metales de tierras raras), un resultado de la regla de máxima multiplicidad de Hund . Hay aleaciones de metales ferromagnéticos cuyos componentes no son en sí mismos ferromagnéticos, llamadas aleaciones de Heusler , llamadas así en honor a Fritz Heusler . Por el contrario, hay aleaciones no magnéticas, como los tipos de acero inoxidable , compuestos casi exclusivamente de metales ferromagnéticos.

Las aleaciones metálicas ferromagnéticas amorfas (no cristalinas) se pueden fabricar mediante un enfriamiento rápido de una aleación. Estas tienen la ventaja de que sus propiedades son casi isotrópicas (no están alineadas a lo largo de un eje cristalino); esto da como resultado una baja coercitividad , baja pérdida por histéresis , alta permeabilidad y alta resistividad eléctrica. Uno de estos materiales típicos es una aleación de metal de transición- metaloide , hecha de aproximadamente un 80% de metal de transición (generalmente Fe, Co o Ni) y un componente metaloide ( B , C , Si , P o Al ) que reduce el punto de fusión.

Una clase relativamente nueva de materiales ferromagnéticos excepcionalmente fuertes son los imanes de tierras raras . Contienen elementos lantánidos que son conocidos por su capacidad de transportar grandes momentos magnéticos en orbitales f bien localizados .

La tabla enumera una selección de compuestos ferromagnéticos y ferromagnéticos, junto con su temperatura de Curie ( T _C ), por encima de la cual dejan de exhibir magnetización espontánea.

La mayoría de los materiales ferromagnéticos son metales, ya que los electrones conductores suelen ser los responsables de mediar las interacciones ferromagnéticas. Por lo tanto, es un desafío desarrollar aislantes ferromagnéticos, especialmente materiales multiferroicos , que son a la vez ferromagnéticos y ferroeléctricos . ^[8]

Varios compuestos actínidos son ferroimanes a temperatura ambiente o exhiben ferromagnetismo al enfriarse. Pu P es un paraimán con simetría cúbica a temperatura ambiente , pero que experimenta una transición estructural a un estado tetragonal con orden ferromagnético cuando se enfría por debajo de su T _C  = 125 K. En su estado ferromagnético, el eje fácil de PuP está en la dirección ⟨100⟩. ^[9]

En Np Fe ₂ el eje fácil es ⟨111⟩. ^[10] Por encima de T _C ≈ 500 K , NpFe ₂ también es paramagnético y cúbico. El enfriamiento por debajo de la temperatura de Curie produce una distorsión romboédrica en la que el ángulo romboédrico cambia de 60° (fase cúbica) a 60,53°. Una descripción alternativa de esta distorsión es considerar la longitud c a lo largo del eje trigonal único (después de que la distorsión ha comenzado) y a como la distancia en el plano perpendicular a c . En la fase cúbica esto se reduce a c / a = 1,00 . Por debajo de la temperatura de Curie, la red adquiere una distorsión

${\displaystyle {\frac {c}{a}}-1=-(120\pm 5)\times 10^{-4},}$

que es la mayor deformación en cualquier compuesto actínido . ^[11] NpNi ₂ sufre una distorsión reticular similar por debajo de T _C = 32 K , con una deformación de (43 ± 5) × 10 ⁻⁴ . ^[11] NpCo ₂ es un ferrimagnético por debajo de 15 K.

En 2009, un equipo de físicos del MIT demostró que un gas  de litio enfriado a menos de un kelvin puede exhibir ferromagnetismo. ^[12] El equipo enfrió litio-6 fermiónico a menos de 150 nK (150 mil millonésimas de un kelvin) utilizando enfriamiento por láser infrarrojo . Esta demostración es la primera vez que se demuestra ferromagnetismo en un gas.

En raras circunstancias, se puede observar ferromagnetismo en compuestos que constan únicamente de elementos del bloque s y del bloque p, como el sesquióxido de rubidio . ^[13]

En 2018, un equipo de físicos de la Universidad de Minnesota demostró que el rutenio tetragonal centrado en el cuerpo exhibe ferromagnetismo a temperatura ambiente. ^[14]

Investigaciones recientes han demostrado evidencia de que el ferromagnetismo puede ser inducido en algunos materiales por una corriente eléctrica o voltaje. Los antiferromagnéticos LaMnO3 _y SrCoO se han convertido en ferromagnéticos por una corriente. En julio de 2020, los científicos informaron que indujeron ferromagnetismo en el abundante material diamagnético pirita de hierro ("oro de los tontos") mediante la aplicación de un voltaje. ^{[15] [16]} En estos experimentos, el ferromagnetismo se limitó a una fina capa superficial.

El teorema de Bohr-Van Leeuwen , descubierto en la década de 1910, mostró que las teorías de la física clásica no pueden explicar ninguna forma de magnetismo material, incluido el ferromagnetismo; la explicación depende más bien de la descripción mecánico-cuántica de los átomos . Cada uno de los electrones de un átomo tiene un momento magnético según su estado de espín , como lo describe la mecánica cuántica. El principio de exclusión de Pauli , también una consecuencia de la mecánica cuántica, restringe la ocupación de los estados de espín de los electrones en los orbitales atómicos , lo que generalmente hace que los momentos magnéticos de los electrones de un átomo se cancelen en gran parte o por completo. ^[17] Un átomo tendrá un momento magnético neto cuando esa cancelación sea incompleta.

Una de las propiedades fundamentales de un electrón (además de que lleva carga) es que tiene un momento dipolar magnético , es decir, se comporta como un imán diminuto, produciendo un campo magnético . Este momento dipolar proviene de una propiedad más fundamental del electrón: su espín mecánico cuántico. Debido a su naturaleza cuántica, el espín del electrón puede estar en uno de solo dos estados, con el campo magnético apuntando "arriba" o "abajo" (para cualquier elección de arriba y abajo). El espín del electrón en los átomos es la principal fuente de ferromagnetismo, aunque también hay una contribución del momento angular orbital del electrón alrededor del núcleo . Cuando estos dipolos magnéticos en un trozo de materia están alineados (apuntan en la misma dirección), sus campos magnéticos individualmente diminutos se suman para crear un campo macroscópico mucho más grande.

Sin embargo, los materiales formados por átomos con capas de electrones llenas tienen un momento dipolar total de cero: debido a que todos los electrones existen en pares con espín opuesto, el momento magnético de cada electrón se cancela por el momento opuesto del segundo electrón en el par. Solo los átomos con capas parcialmente llenas (es decir, espines no apareados ) pueden tener un momento magnético neto, por lo que el ferromagnetismo ocurre solo en materiales con capas parcialmente llenas. Debido a las reglas de Hund , los primeros electrones en una capa que de otro modo estaría desocupada tienden a tener el mismo espín, lo que aumenta el momento dipolar total.

Estos dipolos no apareados (a menudo llamados simplemente "espines", aunque también suelen incluir un momento angular orbital) tienden a alinearse en paralelo a un campo magnético externo, lo que da lugar a un efecto macroscópico llamado paramagnetismo . Sin embargo, en el ferromagnetismo, la interacción magnética entre los dipolos magnéticos de los átomos vecinos es lo suficientemente fuerte como para que se alineen entre sí independientemente de cualquier campo aplicado, lo que da lugar a la magnetización espontánea de los denominados dominios. Esto da lugar a la gran permeabilidad magnética observada en los ferromagnéticos y a la capacidad de los materiales magnéticamente duros de formar imanes permanentes .

Cuando dos átomos cercanos tienen electrones desapareados, el hecho de que los espines de los electrones sean paralelos o antiparalelos afecta a si los electrones pueden compartir la misma órbita como resultado del efecto mecánico cuántico llamado interacción de intercambio . Esto, a su vez, afecta la ubicación de los electrones y la interacción de Coulomb (electrostática) y, por lo tanto, la diferencia de energía entre estos estados.

La interacción de intercambio está relacionada con el principio de exclusión de Pauli, que dice que dos electrones con el mismo espín no pueden estar también en el mismo estado espacial (orbital). Esto es una consecuencia del teorema de estadística de espín y de que los electrones son fermiones . Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, cuando los orbitales de los electrones de valencia externos desapareados de átomos adyacentes se superponen, las distribuciones de su carga eléctrica en el espacio están más alejadas cuando los electrones tienen espines paralelos que cuando tienen espines opuestos. Esto reduce la energía electrostática de los electrones cuando sus espines son paralelos en comparación con su energía cuando los espines son antiparalelos, por lo que el estado de espín paralelo es más estable. Esta diferencia de energía se llama energía de intercambio . En términos simples, los electrones externos de átomos adyacentes, que se repelen entre sí, pueden alejarse más alineando sus espines en paralelo, por lo que los espines de estos electrones tienden a alinearse.

Esta diferencia de energía puede ser órdenes de magnitud mayor que las diferencias de energía asociadas con la interacción magnética dipolo-dipolo debido a la orientación de los dipolos, ^[18] que tiende a alinear los dipolos de manera antiparalela. En ciertos óxidos semiconductores dopados, se ha demostrado que las interacciones RKKY generan interacciones magnéticas periódicas de mayor alcance, un fenómeno de importancia en el estudio de materiales espintrónicos . ^[19]

Los materiales en los que la interacción de intercambio es mucho más fuerte que la interacción dipolo-dipolo competidora se denominan frecuentemente materiales magnéticos . Por ejemplo, en el hierro (Fe) la fuerza de intercambio es aproximadamente 1.000 veces más fuerte que la interacción dipolar. Por lo tanto, por debajo de la temperatura de Curie, prácticamente todos los dipolos en un material ferromagnético estarán alineados. Además del ferromagnetismo, la interacción de intercambio también es responsable de los otros tipos de ordenamiento espontáneo de los momentos magnéticos atómicos que ocurren en sólidos magnéticos: antiferromagnetismo y ferrimagnetismo. Existen diferentes mecanismos de interacción de intercambio que crean el magnetismo en diferentes sustancias ferromagnéticas, ^[20] ferrimagnéticas y antiferromagnéticas; estos mecanismos incluyen el intercambio directo , el intercambio RKKY , el intercambio doble y el superintercambio .

Aunque la interacción de intercambio mantiene los espines alineados, no los alinea en una dirección particular. Sin anisotropía magnética , los espines en un imán cambian de dirección aleatoriamente en respuesta a fluctuaciones térmicas , y el imán es superparamagnético . Hay varios tipos de anisotropía magnética, la más común de las cuales es la anisotropía magnetocristalina . Esta es una dependencia de la energía en la dirección de magnetización relativa a la red cristalográfica . Otra fuente común de anisotropía , la magnetostricción inversa , es inducida por tensiones internas . Los imanes de dominio único también pueden tener una anisotropía de forma debido a los efectos magnetostáticos de la forma de la partícula. A medida que aumenta la temperatura de un imán, la anisotropía tiende a disminuir, y a menudo hay una temperatura de bloqueo en la que se produce una transición al superparamagnetismo. ^[21]

La alineación espontánea de dipolos magnéticos en materiales ferromagnéticos parecería sugerir que cada pieza de material ferromagnético debería tener un campo magnético fuerte, ya que todos los espines están alineados; sin embargo, el hierro y otros ferroimanes a menudo se encuentran en un estado "no magnetizado". Esto se debe a que una pieza a granel de material ferromagnético se divide en pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos ^[22] (también conocidos como dominios de Weiss ). Dentro de cada dominio, los espines están alineados, pero si el material a granel está en su configuración de energía más baja (es decir, "no magnetizado"), los espines de los dominios separados apuntan en diferentes direcciones y sus campos magnéticos se cancelan, por lo que el material a granel no tiene un campo magnético neto a gran escala.

Los materiales ferromagnéticos se dividen espontáneamente en dominios magnéticos porque la interacción de intercambio es una fuerza de corto alcance, por lo que en grandes distancias de muchos átomos, la tendencia de los dipolos magnéticos a reducir su energía orientándose en direcciones opuestas prevalece. Si todos los dipolos de un trozo de material ferromagnético están alineados en paralelo, se crea un gran campo magnético que se extiende al espacio que lo rodea. Este contiene mucha energía magnetostática . El material puede reducir esta energía dividiéndose en muchos dominios que apuntan en diferentes direcciones, por lo que el campo magnético se limita a pequeños campos locales en el material, lo que reduce el volumen del campo. Los dominios están separados por delgadas paredes de dominio de un número de moléculas de espesor, en las que la dirección de magnetización de los dipolos gira suavemente de la dirección de un dominio a la otra.

Por lo tanto, una pieza de hierro en su estado de energía más bajo ("no magnetizado") generalmente tiene poco o ningún campo magnético neto. Sin embargo, los dominios magnéticos en un material no están fijos en su lugar; son simplemente regiones donde los espines de los electrones se han alineado espontáneamente debido a sus campos magnéticos y, por lo tanto, pueden ser alterados por un campo magnético externo. Si se aplica un campo magnético externo lo suficientemente fuerte al material, las paredes del dominio se moverán a través de un proceso en el que los espines de los electrones en los átomos cerca de la pared en un dominio giran bajo la influencia del campo externo para mirar en la misma dirección que los electrones en el otro dominio, reorientando así los dominios para que más dipolos estén alineados con el campo externo. Los dominios permanecerán alineados cuando se elimine el campo externo y se sumarán para crear un campo magnético propio que se extenderá al espacio alrededor del material, creando así un imán "permanente". Los dominios no vuelven a su configuración de energía mínima original cuando se elimina el campo porque las paredes del dominio tienden a quedar "fijadas" o "enganchadas" en los defectos de la red cristalina, conservando su orientación paralela. Esto se demuestra mediante el efecto Barkhausen : a medida que se modifica el campo magnetizante, la magnetización del material cambia en miles de pequeños saltos discontinuos a medida que las paredes del dominio "se rompen" de repente al pasar por los defectos.

Esta magnetización en función de un campo externo se describe mediante una curva de histéresis . Aunque este estado de dominios alineados que se encuentra en un trozo de material ferromagnético magnetizado no es una configuración de energía mínima, es metaestable y puede persistir durante largos períodos, como lo demuestran las muestras de magnetita del fondo marino que han mantenido su magnetización durante millones de años.

Calentar y luego enfriar ( recocer ) un material magnetizado, sometiéndolo a vibración martillándolo o aplicándole un campo magnético que oscila rápidamente desde una bobina desmagnetizadora tiende a liberar las paredes del dominio de su estado fijado, y los límites del dominio tienden a volver a una configuración de menor energía con menos campo magnético externo, desmagnetizando así el material.

Los imanes comerciales están hechos de materiales ferromagnéticos o ferromagnéticos "duros" con una anisotropía magnética muy grande, como el alnico y las ferritas , que tienen una tendencia muy fuerte a que la magnetización apunte a lo largo de un eje del cristal, el "eje fácil". Durante la fabricación, los materiales se someten a varios procesos metalúrgicos en un campo magnético potente, que alinea los granos de cristal de manera que sus ejes de magnetización "fáciles" apunten todos en la misma dirección. De este modo, la magnetización y el campo magnético resultante están "integrados" en la estructura cristalina del material, lo que hace que sea muy difícil de desmagnetizar.

A medida que aumenta la temperatura de un material, el movimiento térmico, o entropía , compite con la tendencia ferromagnética de los dipolos a alinearse. Cuando la temperatura aumenta más allá de un cierto punto, llamado temperatura de Curie , hay una transición de fase de segundo orden y el sistema ya no puede mantener una magnetización espontánea, por lo que su capacidad de ser magnetizado o atraído por un imán desaparece, aunque todavía responde paramagnéticamente a un campo externo. Por debajo de esa temperatura, hay una ruptura espontánea de la simetría y los momentos magnéticos se alinean con sus vecinos. La temperatura de Curie en sí misma es un punto crítico , donde la susceptibilidad magnética es teóricamente infinita y, aunque no hay magnetización neta, las correlaciones de espín de tipo dominio fluctúan en todas las escalas de longitud.

El estudio de las transiciones de fase ferromagnéticas, especialmente a través del modelo simplificado de espín de Ising , tuvo un impacto importante en el desarrollo de la física estadística . Allí, se demostró claramente por primera vez que los enfoques de la teoría del campo medio no lograban predecir el comportamiento correcto en el punto crítico (que se encontró que se encontraba dentro de una clase de universalidad que incluye muchos otros sistemas, como las transiciones líquido-gas), y tuvieron que ser reemplazados por la teoría de grupos de renormalización . ^{[ cita requerida ]}

• Propiedades de los materiales ferromagnéticos
• Histéresis  : Dependencia del estado de un sistema con respecto a su historia.
• Magnetización orbital
• Criterio de Stoner
• Motor termomagnético  – Motor de imán
• Imán de neodimio  : el tipo más potente de imán permanente hecho de una aleación de neodimio, hierro y boro.

• Medios relacionados con el ferromagnetismo en Wikimedia Commons
• Electromagnetismo – cap. 11, de un libro de texto en línea
• Sandeman, Karl (enero de 2008). "Materiales ferromagnéticos". DoITPoMS . Departamento de Ciencias de los Materiales y Metalurgia, Universidad de Cambridge . Consultado el 22 de junio de 2019 .Descripción no matemática detallada de materiales ferromagnéticos con ilustraciones.
• 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