В материалах , которые проявляют антиферромагнетизм , магнитные моменты атомов или молекул , обычно связанные со спинами электронов , выстраиваются в регулярном порядке с соседними спинами (на разных подрешетках), указывающими в противоположных направлениях. Это, как и ферромагнетизм и ферримагнетизм , проявление упорядоченного магнетизма . Явление антиферромагнетизма было впервые введено Львом Ландау в 1933 году. [1]
Как правило, антиферромагнитный порядок может существовать при достаточно низких температурах, но исчезает при температуре Нееля и выше — названной в честь Луи Нееля , который первым на Западе идентифицировал этот тип магнитного упорядочения. [2] Выше температуры Нееля материал обычно является парамагнитным .
При отсутствии внешнего поля антиферромагнитная структура соответствует исчезающей общей намагниченности. Во внешнем магнитном поле в антиферромагнитной фазе может проявляться своего рода ферримагнитное поведение, при этом абсолютное значение намагниченности одной из подрешеток отличается от абсолютного значения намагниченности другой подрешетки, что приводит к ненулевой чистой намагниченности. Хотя чистая намагниченность должна быть равна нулю при температуре абсолютного нуля , эффект наклона спина часто приводит к развитию небольшой чистой намагниченности, как это видно, например, в гематите . [ необходима цитата ]
Магнитная восприимчивость антиферромагнитного материала обычно показывает максимум при температуре Нееля. Напротив, при переходе из ферромагнитной в парамагнитную фазу восприимчивость будет расходиться. В антиферромагнитном случае расходимость наблюдается в ступенчатой восприимчивости .
Различные микроскопические (обменные) взаимодействия между магнитными моментами или спинами могут приводить к антиферромагнитным структурам. В простейшем случае можно рассмотреть модель Изинга на двудольной решетке, например, простую кубическую решетку , со связями между спинами в ближайших соседних узлах. В зависимости от знака этого взаимодействия получится ферромагнитный или антиферромагнитный порядок. Геометрическая фрустрация или конкурирующие ферро- и антиферромагнитные взаимодействия могут приводить к различным и, возможно, более сложным магнитным структурам.
Связь между намагниченностью и намагничивающим полем нелинейна , как в ферромагнитных материалах . Этот факт обусловлен вкладом петли гистерезиса , [3] которая для ферромагнитных материалов подразумевает остаточную намагниченность .
Антиферромагнитные структуры были впервые показаны с помощью нейтронной дифракции оксидов переходных металлов, таких как оксиды никеля, железа и марганца. Эксперименты, проведенные Клиффордом Шуллом , дали первые результаты, показывающие, что магнитные диполи могут быть ориентированы в антиферромагнитной структуре. [4]
Антиферромагнитные материалы обычно встречаются среди соединений переходных металлов , особенно оксидов. Примерами являются гематит , металлы, такие как хром , сплавы, такие как железо-марганец (FeMn), и оксиды, такие как оксид никеля (NiO). Существуют также многочисленные примеры среди кластеров металлов с высокой ядерностью. Органические молекулы также могут проявлять антиферромагнитную связь в редких случаях, как это наблюдается в радикалах, таких как 5-дегидро-м-ксилилен .
Антиферромагнетики могут соединяться с ферромагнетиками, например, посредством механизма, известного как обменное смещение , в котором ферромагнитная пленка либо выращивается на антиферромагнетике, либо отжигается в выравнивающем магнитном поле, заставляя поверхностные атомы ферромагнетика выравниваться с поверхностными атомами антиферромагнетика. Это обеспечивает возможность «закрепить» ориентацию ферромагнитной пленки, что обеспечивает одно из основных применений в так называемых спиновых клапанах , которые являются основой магнитных датчиков, включая современные считывающие головки жестких дисков . Температура, при которой или выше антиферромагнитный слой теряет свою способность «закрепить» направление намагниченности соседнего ферромагнитного слоя, называется температурой блокировки этого слоя и обычно ниже температуры Нееля.
В отличие от ферромагнетизма, антиферромагнитные взаимодействия могут приводить к нескольким оптимальным состояниям (основным состояниям — состояниям минимальной энергии). В одном измерении антиферромагнитное основное состояние представляет собой чередующуюся серию спинов: вверх, вниз, вверх, вниз и т. д. Однако в двух измерениях могут возникать несколько основных состояний.
Рассмотрим равносторонний треугольник с тремя спинами, по одному на каждой вершине. Если каждый спин может принимать только два значения (вверх или вниз), то существует 2 3 = 8 возможных состояний системы, шесть из которых являются основными состояниями. Две ситуации, которые не являются основными состояниями, — это когда все три спина направлены вверх или вниз. В любом из шести других состояний будет два благоприятных взаимодействия и одно неблагоприятное. Это иллюстрирует разочарование : неспособность системы найти единственное основное состояние. Этот тип магнитного поведения был обнаружен в минералах, которые имеют структуру кристаллической укладки, такую как решетка Кагоме или гексагональная решетка .
Синтетические антиферромагнетики (часто сокращенно SAF) — это искусственные антиферромагнетики, состоящие из двух или более тонких ферромагнитных слоев, разделенных немагнитным слоем. [5] Дипольная связь ферромагнитных слоев приводит к антипараллельному выравниванию намагниченности ферромагнетиков.
Антиферромагнетизм играет решающую роль в гигантском магнитосопротивлении , которое было открыто в 1988 году лауреатами Нобелевской премии Альбертом Фертом и Петером Грюнбергом (награжден в 2007 году) с использованием синтетических антиферромагнетиков.
Существуют также примеры неупорядоченных материалов (например, железофосфатные стекла), которые становятся антиферромагнитными ниже температуры Нееля. Эти неупорядоченные сети «расстраивают» антипараллельность соседних спинов; т. е. невозможно построить сеть, в которой каждый спин окружен противоположными соседними спинами. Можно только определить, что средняя корреляция соседних спинов является антиферромагнитной. Этот тип магнетизма иногда называют сперомагнетизмом .
Медиа, связанные с Антиферромагнетизм на Wikimedia Commons