В материалах, которые проявляют антиферромагнетизм , магнитные моменты атомов или молекул , обычно связанные со спинами электронов , выстраиваются в правильном порядке, причем соседние спины ( в разных подрешетках) указывают в противоположных направлениях. Это, как и ферромагнетизм и ферримагнетизм , проявление упорядоченного магнетизма . Явление антиферромагнетизма было впервые открыто 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 впервые определил этот тип магнитного упорядочения. [2] Выше температуры Нееля материал обычно является парамагнитным .
При отсутствии внешнего поля антиферромагнитная структура соответствует исчезающей полной 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 суммарной намагниченности. Хотя чистая намагниченность должна быть равна нулю при температуре абсолютного нуля , эффект наклона спина часто вызывает развитие небольшой чистой намагниченности, как это видно, например, в гематите . [ нужна цитата ]
Магнитная восприимчивость антиферромагнитного материала обычно имеет максимум при температуре Нееля. Напротив, при переходе от ферромагнитной фазы к парамагнитной восприимчивость будет расходиться. В антиферромагнитном случае наблюдается расходимость шахматной 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 простой кубической решетке , со связями между спинами в ближайших соседних узлах. В зависимости от знака этого взаимодействия образуется ферромагнитный или антиферромагнитный порядок. Геометрические фрустрации или конкурирующие ферро- и антиферромагнитные взаимодействия могут привести к различным и, возможно, более сложным магнитным структурам.
Связь между намагниченностью и намагничивающим полем нелинейна , как и в ферромагнитных материалах . Этот факт обусловлен вкладом петли гистерезиса [3] , которая для ферромагнитных материалов включает остаточную намагниченность .
Антиферромагнитные структуры были впервые показаны с помощью нейтронографии оксидов переходных металлов, таких как оксиды никеля, железа и марганца. Эксперименты, проведенные Клиффордом Шуллем , дали первые результаты, показывающие, что магнитные диполи могут ориентироваться в антиферромагнитной структуре. [4]
Антиферромагнитные материалы обычно встречаются среди соединений переходных металлов , особенно оксидов. Примеры включают гематит , такие металлы, как хром , сплавы, такие как железо-марганец (FeMn), и оксиды, такие как оксид никеля (NiO). Есть также многочисленные примеры среди металлических кластеров с высокой ядерностью. Органические молекулы также в редких случаях могут проявлять антиферромагнитное взаимодействие, как это видно на примере таких радикалов, как 5-дегидро-м-ксилилен .
Антиферромагнетики могут взаимодействовать с ферромагнетиками, например, посредством механизма, известного как обменное смещение , при котором ферромагнитная пленка либо выращивается на антиферромагнетике, либо отжигается в выравнивающем магнитном поле, заставляя поверхностные атомы ферромагнетика выравниваться с поверхностными атомами антиферромагнетик. Это обеспечивает возможность «зафиксировать» ориентацию ферромагнитной пленки, что обеспечивает одно из основных применений в так называемых спиновых клапанах , которые являются основой магнитных датчиков, включая считывающие головки современных жестких дисков . Температура, при которой или выше которой антиферромагнитный слой теряет способность «фиксировать» направление намагничивания соседнего ферромагнитного слоя, называется температурой блокировки этого слоя и обычно ниже температуры Нееля.
В отличие от ферромагнетизма, антиферромагнитные взаимодействия могут приводить к множеству оптимальных состояний (основные состояния — состояния с минимальной энергией). В одном измерении основное антиферромагнитное состояние представляет собой чередующуюся серию спинов: вверх, вниз, вверх, вниз и т. д. Однако в двух измерениях может возникнуть несколько основных состояний.
Рассмотрим равносторонний треугольник с тремя спинами, по одному в 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 активны или все направлены вниз. В любом из остальных шести 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 штабелирования кристаллов, такую как решетка Кагоме или гексагональная решетка .
Синтетические антиферромагнетики (часто сокращенно САФ) — 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 обнаружено в 1988 году лауреатами Нобелевской премии Альбертом Фертом и Питером Грюнбергом (присуждена в 2007 году) с использованием синтетических антиферромагнетиков.
Есть также примеры неупорядоченных материалов (таких как железофосфатные стекла), которые становятся антиферромагнитными ниже температуры Нееля. Эти неупорядоченные сети «нарушают» антипараллельность соседних спинов; т.е. невозможно построить сеть, в которой каждый спин окружен противоположными соседними спинами. Можно лишь определить, что средняя корреляция соседних спинов антиферромагнитна. Этот тип магнетизма иногда называют сперомагнетизмом .
СМИ, связанные с антиферромагнетизмом, на Викискладе?