Antiferromagnetische Ordnung
Magnetische Ordnungen: Vergleich zwischen Ferro-, Antiferro- und Ferrimagnetismus

Antiferromagnetismus ist neben Ferromagnetismus und Ferrimagnetismus eine Form der magnetischen Ordnung . In Antiferromagneten sind die einzelnen magnetischen Dipole so ausgerichtet, dass die Gesamtmagnetisierung des Materials verschwindet . Im einfachsten Modell, wie in der Abbildung rechts dargestellt, sind benachbarte Momente in einem geordneten Gitter antiparallel zueinander ausgerichtet. [ 1 ] Da es verschiedene Möglichkeiten gibt, magnetische Momente in einem Gitter anzuordnen (insbesondere in drei Dimensionen), existieren verschiedene Arten von antiferromagnetischer Ordnung. [ 1 ] Das Phänomen des Antiferromagnetismus wurde erstmals 1933 von Lew Landau beschrieben. [ 2 ]

Im Allgemeinen kann antiferromagnetische Ordnung bei ausreichend niedrigen Temperaturen auftreten, verschwindet jedoch bei und oberhalb der Néel-Temperatur – benannt nach Louis Néel , der diese Art der magnetischen Ordnung als Erster identifizierte. [ 3 ] Oberhalb der Néel-Temperatur ist das Material typischerweise paramagnetisch .

Messung

Wird kein äußeres Feld angelegt, entspricht die antiferromagnetische Struktur einer verschwindenden Gesamtmagnetisierung. In einem äußeren Magnetfeld kann die antiferromagnetische Phase ein ferrimagnetisches Verhalten zeigen, wobei sich die Absolutwerte der Magnetisierungen der beiden Untergitter unterscheiden, was zu einer Nettomagnetisierung ungleich null führt. Obwohl die Nettomagnetisierung bei absolutem Nullpunkt null sein sollte , bewirkt die Spinverkippung häufig die Ausbildung einer kleinen Nettomagnetisierung, wie beispielsweise bei Hämatit beobachtet . [ 4 ]

Die magnetische Suszeptibilität eines antiferromagnetischen Materials weist typischerweise ein Maximum bei der Néel-Temperatur auf. Im Gegensatz dazu divergiert die Suszeptibilität beim Übergang zwischen der ferromagnetischen und der paramagnetischen Phase. Im antiferromagnetischen Fall wird eine Divergenz in der gestaffelten Suszeptibilität beobachtet .

Verschiedene mikroskopische (Austausch-)Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten oder Spins können zu antiferromagnetischen Strukturen führen. Im einfachsten Fall kann man ein Ising-Modell auf einem bipartiten Gitter, z. B. dem einfachen kubischen Gitter , mit Kopplungen zwischen Spins an benachbarten Gitterplätzen betrachten. Abhängig vom Vorzeichen dieser Wechselwirkung ergibt sich ferromagnetische oder antiferromagnetische Ordnung. Geometrische Frustration oder konkurrierende ferro- und antiferromagnetische Wechselwirkungen können zu anderen und möglicherweise komplexeren magnetischen Strukturen führen.

Die Beziehung zwischen Magnetisierung und Magnetfeld ist, wie bei ferromagnetischen Materialien, nichtlinear. Dies liegt an der Hystereseschleife [ 5 ] , die bei ferromagnetischen Materialien eine Restmagnetisierung beinhaltet .

Antiferromagnetische Materialien

Antiferromagnetische Strukturen wurden erstmals durch Neutronenbeugung an Übergangsmetalloxiden wie Nickel-, Eisen- und Manganoxiden nachgewiesen. Die von Clifford Shull durchgeführten Experimente lieferten die ersten Ergebnisse, die zeigten, dass magnetische Dipole in einer antiferromagnetischen Struktur ausgerichtet werden können. [ 6 ]

Antiferromagnetische Materialien treten häufig unter Übergangsmetallverbindungen , insbesondere Oxiden, auf. Beispiele hierfür sind Hämatit , Metalle wie Chrom , Legierungen wie Eisen-Mangan (FeMn) und Oxide wie Nickeloxid (NiO). Auch unter hochkernigen Metallclustern gibt es zahlreiche Beispiele. Organische Moleküle können unter seltenen Umständen ebenfalls antiferromagnetische Kopplung aufweisen, wie beispielsweise Radikale wie 5-Dehydro-m-xylylen .

Antiferromagnete können an Ferromagnete koppeln, beispielsweise über einen Mechanismus namens Austauschkopplung . Dabei wird der ferromagnetische Film entweder auf dem Antiferromagneten aufgebracht oder in einem ausrichtenden Magnetfeld getempert, wodurch sich die Oberflächenatome des Ferromagneten mit denen des Antiferromagneten ausrichten. Dies ermöglicht es, die Orientierung eines ferromagnetischen Films zu fixieren. Diese Eigenschaft ist eine der Hauptanwendungen sogenannter Spinventile , die die Grundlage magnetischer Sensoren, wie beispielsweise moderner Leseköpfe für Festplatten, bilden . Die Temperatur, bei der eine antiferromagnetische Schicht ihre Fähigkeit verliert, die Magnetisierungsrichtung einer benachbarten ferromagnetischen Schicht zu fixieren, wird als Blockierungstemperatur dieser Schicht bezeichnet und liegt üblicherweise unterhalb der Néel-Temperatur.

Geometrische Frustration

Im Gegensatz zum Ferromagnetismus können antiferromagnetische Wechselwirkungen zu mehreren optimalen Zuständen (Grundzuständen – Zuständen minimaler Energie) führen. In einer Dimension ist der antiferromagnetische Grundzustand eine alternierende Abfolge von Spins: nach oben, nach unten, nach oben, nach unten usw. In zwei Dimensionen können jedoch mehrere Grundzustände auftreten.

Betrachten wir ein gleichseitiges Dreieck mit drei Spins, je einem an jeder Ecke. Kann jeder Spin nur zwei Werte annehmen (nach oben oder nach unten), ergeben sich 2³ = 8 mögliche Zustände des Systems, von denen sechs Grundzustände sind. Die beiden anderen Zustände sind entweder alle drei Spins nach oben oder alle nach unten gerichtet. In jedem der übrigen sechs Zustände gibt es zwei günstige und eine ungünstige Wechselwirkung. Dies veranschaulicht Frustration : die Unfähigkeit des Systems, einen eindeutigen Grundzustand zu finden. Dieses magnetische Verhalten wurde in Mineralien mit Kristallstruktur wie dem Kagome-Gitter oder dem hexagonalen Gitter beobachtet .

Sonstige Eigenschaften

Synthetische Antiferromagnete (oft abgekürzt als SAF) sind künstliche Antiferromagnete, die aus zwei oder mehr dünnen ferromagnetischen Schichten bestehen, die durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind. [ 7 ] Die Dipolkopplung der ferromagnetischen Schichten führt zu einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung der Ferromagnete.

Antiferromagnetismus spielt eine entscheidende Rolle in Bauelementen, die den Riesenmagnetowiderstand (GMR) nutzen , einen Effekt, der 1988 von den Nobelpreisträgern Albert Fert und Peter Grünberg (verliehen 2007) entdeckt wurde [ 8 ] [ 9 ] . Zum einen werden Antiferromagnete als Haftschichten eingesetzt, zum anderen stellt das ursprüngliche Bauelementdesign (Eisen-Chrom-Eisen-Mehrschichtsystem mit sorgfältig eingestellter Chromschichtdicke [ 10 ] ) im Grunde einen synthetischen Antiferromagneten dar. [ 11 ]

Es gibt auch Beispiele für ungeordnete Materialien (wie Eisenphosphatgläser), die unterhalb ihrer Néel-Temperatur antiferromagnetisch werden. Diese ungeordneten Netzwerke verhindern die Antiparallelität benachbarter Spins; d. h., es ist nicht möglich, ein Netzwerk zu konstruieren, in dem jeder Spin von entgegengesetzten Nachbarspins umgeben ist. Es lässt sich lediglich feststellen, dass die mittlere Korrelation benachbarter Spins antiferromagnetisch ist. Diese Art von Magnetismus wird auch als Speromagnetismus bezeichnet .

Siehe auch

  • Wechselkursverzerrung
  • Riesenmagnetowiderstand  – Phänomen, das die Änderung der Leitfähigkeit in metallischen Schichten beinhaltet.
  • Geometrisch frustrierter Magnet  – Komplexe Strukturen in der Materiephysik
  • Ising-Modell  – Mathematisches Modell des Ferromagnetismus in der statistischen Mechanik
  • ANNNI-Modell  – Variante des Ising-Modells
  • Mottness  – Materialien, die klassischerweise als Leiter vorhergesagt werden, tatsächlich aber Isolatoren sind.
  • Quantenspinflüssigkeit  – Aggregatzustand
  • Ferromagnetismus  – Mechanismus, durch den Materialien sich in Magnete verwandeln und von ihnen angezogen werden
  • Diamagnetismus  – Magnetische Eigenschaften gewöhnlicher Materialien

Referenzen

  1. ^ a b Blundell, Stephen (2014). „5.2 Antiferromagnetismus“. Magnetismus in kondensierter Materie . Oxford Master Series in Condensed Matter Physics (Nachdruck). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850591-4Die
  2. ^ Landau, LD (1933). „K voprosu o ob'yasnenii zavisimosti vospriimchivosti ot polya pri nizkikh temperaturakh“ [Eine mögliche Erklärung der Feldabhängigkeit der Suszeptibilität bei niedrigen Temperaturen]. Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion , 4: 675.
  3. ^ M. Louis Néel (1948). „Propriétées magnétiques des ferrites; Férrimagnétisme et antiferromagnétisme“ (PDF) . Annales de Physique . 12 (3): 137– 198. Bibcode : 1948AnPh...12..137N . doi : 10.1051/anphys/194812030137 . S2CID 126111103 . 
  4. ^ Coey, JM D (2009). Magnetismus und magnetische Materialien . Cambridge: Cambridge University Press. S. 196. ISBN 978-0-521-81614-4Die
  5. ^ František, Hrouda (1. September 2002). „Niederfeldvariation der magnetischen Suszeptibilität und deren Einfluss auf die Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität von Gesteinen“ . Geophysical Journal International . 150 (3). Oxford University Press: 715–723 . Bibcode : 2002GeoJI.150..715H . doi : 10.1046 / j.1365-246X.2002.01731.x . ISSN 1365-246X . OCLC 198890763 .  
  6. ^ Shull, CG; Strauser, WA; Wollan, EO (15.07.1951). „Neutronenbeugung an paramagnetischen und antiferromagnetischen Substanzen“. Physical Review . 83 (2). American Physical Society (APS): 333–345 . Bibcode : 1951PhRv...83..333S . doi : 10.1103/physrev.83.333 . ISSN 0031-899X . 
  7. ^ M. Forrester und F. Kusmartsev (2014). „Die Nanomechanik und die magnetischen Eigenschaften synthetischer antiferromagnetischer Partikel mit hohem magnetischem Moment“ . Physica Status Solidi A. 211 ( 4): 884–889 . Bibcode : 2014PSSAR.211..884F . doi : 10.1002/pssa.201330122 . S2CID 53495716 . 
  8. ^ Baibich, MN (1988). „Riesenmagnetowiderstand von (001)Fe/(001)Cr-Magnetübergittern“ . Physical Review Letters . 61 (21): 2472–2475 . Bibcode : 1988PhRvL..61.2472B . doi : 10.1103/PhysRevLett.61.2472 . hdl : 10183/99075 . PMID 10039127 . 
  9. ^ Binasch, G. (1989). „Erhöhter Magnetowiderstand in geschichteten magnetischen Strukturen mit antiferromagnetischem Zwischenschichtaustausch“ . Physical Review B. 39 ( 7): 4828–4830 . Bibcode : 1989PhRvB..39.4828B . doi : 10.1103/PhysRevB.39.4828 . PMID 9948867 . 
  10. ^ Grünberg, P. (1986). „Geschichtete magnetische Strukturen: Hinweise auf antiferromagnetische Kopplung von Fe-Schichten über Cr-Zwischenschichten“ . Physical Review Letters . 57 (19): 2442–2445 . Bibcode : 1986PhRvL..57.2442G . doi : 10.1103/PhysRevLett.57.2442 . PMID 10033726 . 
  11. ^ Duine, RA; Lee, Kyung-Jin; Parkin, Stuart SP; Stiles, MD (März 2018). „Synthetische antiferromagnetische Spintronik“ . Nature Physics . 14 (3): 217–219 . Bibcode : 2018NatPh..14..217D . doi : 10.1038/s41567-018-0050-y . PMC 5997292. PMID 29910827 .