Αντισιδηρομαγνητισμός

Αντισιδηρομαγνητική διάταξη

Σε υλικά που επιδεικνύουν αντισιδηρομαγνητισμό (antiferromagnetism), οι μαγνητικές ροπές των ατόμων ή μορίων, σχετίζονται συνήθως με τα σπιν των ηλεκτρονίων, στοιχίζονται σε κανονική διάταξη με τα γειτονικά σπιν (σε διαφορετικά υποπλέγματα) δείχνοντας σε αντίθετες κατευθύνσεις. Δηλαδή, όπως ο σιδηρομαγνητισμός και ο σιδηριμαγνητισμός, μια παρουσία διαταγμένου μαγνητισμού. Γενικά, η αντισιδηρομαγνητική διάταξη μπορεί να υπάρχει σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες, εξαφανιζόμενη σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες, στη θερμοκρασία Νεέλ του υλικού και σε μεγαλύτερες τιμές θερμοκρασίας. Πάνω από τη θερμοκρασία Νεέλ, το υλικό είναι συνήθως παραμαγνητικό.

Μέτρηση

Όταν δεν εφαρμόζεται κανένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, η αντισιδηρομαγνητική διάταξη αντιστοιχεί σε μια μηδενική ολική μαγνήτιση. Σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, ένα είδος σιδηριμαγνητικής συμπεριφοράς μπορεί να εμφανιστεί στην αντισιδηρομαγνητική φάση, με την απόλυτη τιμή ενός από τα υποπλέγματα μαγνήτισης να διαφέρει από αυτήν του άλλου υποπλέγματος, με αποτέλεσμα μια μηδενική καθαρή μαγνήτιση. Αν και η καθαρή μαγνήτιση θα πρέπει να είναι μηδέν στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός, η επίδραση της κλίσης του σπιν (spin canting) προκαλεί συχνά την ανάπτυξη μιας μικρής καθαρής μαγνήτισης, όπως φαίνεται, παραδείγματος χάρη, στον αιματίτη.

Η μαγνητική επιδεκτικότητα ενός αντισιδηρομαγνητικού υλικού εμφανίζει συνήθως ένα μέγιστο στη θερμοκρασία Νεέλ. Αντίθετα, στη μετάβαση μεταξύ σιδηρομαγνητικής σε παραμαγνητική φάση η επιδεκτικότητα θα αποκλίνει. Στην αντισιδηρομαγνητική περίπτωση, παρατηρείται απόκλιση στην κλιμακωτή επιδεκτικότητα (staggered susceptibility).

Διάφορες μικροσκοπικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μαγνητικών ροπών ή των σπιν μπορεί να οδηγήσουν σε αντισιδηρομαγνητικές δομές. Στην απλούστερη περίπτωση, μπορεί να θεωρηθεί το πρότυπο Ίζινγκ (Ising model) σε ένα διμερές πλέγμα, π.χ. το απλό κυβικό πλέγμα, με συζεύξεις μεταξύ σπιν στις πιο κοντινές γειτονικές θέσεις. Ανάλογα με το πρόσημο της αλληλεπίδρασης, θα έχει ως αποτέλεσμα σιδηρομαγνητική ή αντισιδηρομαγνητική διάταξη. Η γεωμετρική όχληση (Geometrical frustration) ή ο ανταγωνισμός σιδηρο- και αντισιδηρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων μπορεί να οδηγήσουν σε διαφορετικές και ενδεχομένως σε πιο περίπλοκες μαγνητικές δομές.

Αντισιδηρομαγνητικά υλικά

Αντισιδηρομαγνητικά υλικά προκύπτουν συνήθως μεταξύ των ενώσεων στοιχείων μετάπτωσης, ειδικά στα οξείδια· π.χ. αιματίτης, μέταλλα όπως το χρώμιο, κράματα όπως σιδήρου-μαγγανίου (FeMn) και οξείδια όπως το οξείδιο του νικελίου. Υπάρχουν επίσης πολυάριθμα παραδείγματα μεταξύ συμπλόκων μετάλλων υψηλής πυρηνικότητας μεταλλικών συστάδων. Τα οργανικά μόρια μπορούν επίσης να επιδείξουν αντισιδηρομαγνητική σύζευξη σε σπάνιες περιπτώσεις, όπως συμβαίνει σε ρίζες του 5-δεϋδρο-m-ξυλένιο.

Οι αντισιδηρομαγνήτες μπορούν να συνδυαστούν με σιδηρομαγνήτες, π.χ., μέσω ενός μηχανισμού γνωστού ως ανισοτροπία ανταλλαγής (exchange bias), στον οποίον η σιδηρομαγνητική ταινία είναι ανεπτυγμένη είτε πάνω στον αντισιδηρομαγνήτη ή ανοπτημένη σε ένα στοιχισμένο μαγνητικό πεδίο, προκαλώντας στα άτομα της επιφάνειας του σιδηρομαγνήτη να στοιχιστούν με τα άτομα της επιφάνειας του αντισιδηρομαγνήτη. Αυτό δίνει τη δυνατότητα της «αγκίστρωσης» (συζεύξεως) του προσανατολισμού μιας σιδηρομαγνητικής ταινίας, που παρέχει μία από τις κύριες χρήσεις στις αποκαλούμενες βαλβίδες σπιν (spin valves), που είναι η βάση των μαγνητικών αισθητήρων συμπεριλαμβανομένων των σύγχρονων κεφαλών ανάγνωσης σκληρών δίσκων. Η θερμοκρασία στην οποία ή πάνω από την οποία μια αντισιδηρομαγνητική στρώση χάνει την ικανότητα «αγκίστρωσης» της κατεύθυνσης μαγνήτισης μιας γειτονικής σιδηρομαγνητικής στρώσης αποκαλείται θερμοκρασία φραγής (blocking temperature) αυτής της στρώσης και είναι συνήθως πιο χαμηλή από τη θερμοκρασία Νεέλ.

Γεωμετρική όχληση

Αντίθετα με τον σιδηρομαγνητισμό, οι αντισιδηρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις μπορούν να οδηγήσουν σε πολλαπλές βέλτιστες καταστάσεις (θεμελιώδεις καταστάσεις—καταστάσεις ελάχιστης ενέργειας). Σε μια διάσταση, η αντισιδηρομαγνητική θεμελιώδης κατάσταση είναι μια εναλλασσόμενη σειρά σπιν: πάνω, κάτω, πάνω, κάτω, κλπ. Πολλαπλές θεμελιώδεις καταστάσεις μπορούν να εμφανιστούν ακόμα και σε δύο διαστάσεις.

Θεωρήστε ένα ισόπλευρο τρίγωνο με τρία σπιν, ένα σε κάθε κορυφή. Αν κάθε σπιν μπορεί να πάρει μόνο δύο τιμές (πάνω και κάτω), υπάρχουν 2³ = 8 δυνατές καταστάσεις του συστήματος, έξι από τις οποίες είναι θεμελιώδεις καταστάσεις. Οι δύο καταστάσεις που δεν είναι θεμελιώδεις καταστάσεις είναι όταν και τα τρία σπιν είναι όλα πάνω ή κάτω. Σε οποιαδήποτε άλλη από τις έξι καταστάσεις, θα υπάρχουν δύο ευνοούμενες αλληλεπιδράσεις και μία μη ευνοούμενη. Αυτό εξηγεί η όχληση: η αδυναμία του συστήματος να βρει μια μοναδική θεμελιώδη κατάσταση. Αυτός ο τύπος της μαγνητικής συμπεριφοράς έχει βρεθεί σε ορυκτά που έχουν μια δομή κρυσταλλικής επιστοίβασης όπως στο τριεξαγωνικό ή στο εξαγωνικό πλέγμα.

Άλλες ιδιότητες

Οι συνθετικοί αντισιδηρομαγνήτες (Synthetic antiferromagnets ή SAF) είναι τεχνητοί αντισιδηρομαγνήτες που αποτελούνται από δύο ή περισσότερες λεπτές σιδηρομαγνητικές στρώσεις που διαχωρίζονται από μια μη μαγνητική στρώση. Η σύζευξη του διπόλου των σιδηρομαγνητικών στρώσεων καταλήγει σε αντιπαράλληλη στοίχιση της μαγνήτισης των σιδηρομαγνητών.

Ο αντισιδηρομαγνητισμός παίζει έναν κρίσιμο ρόλο στη γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση (giant magnetoresistance), όπως ανακαλύφθηκε το 1988 από τους Αμπέρ Φερ (Albert Fert) και Πέτερ Γκρύνμπεργκ (Peter Grünberg) (που τιμήθηκαν το 2007 με το Βραβείο Νόμπελ) χρησιμοποιώντας συνθετικούς αντισιδηρομαγνήτες.

Υπάρχουν επίσης παραδείγματα ανοργάνωτων υλικών (disordered materials) (όπως ύαλοι φωσφορικού σιδήρου (iron phosphate glasses)) που γίνονται αντισιδηρομαγνητικά κάτω από τη θερμοκρασία Νεέλ τους. Αυτά τα ανοργάνωτα πλέγματα 'εμποδίζουν' τον αντιπαραλληλισμό των γειτονικών σπιν· δηλαδή, δεν είναι δυνατή η κατασκευή ενός πλέγματος όπου κάθε σπιν να περιβάλλεται από αντίθετα γειτονικά σπιν. Μπορεί μόνο να καθοριστεί ότι η μέση συσχέτιση των γειτονικών σπιν είναι αντισιδηρομαγνητική.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Magnetism: Models and Mechanisms in E. Pavarini, E. Koch, and U. Schollwöck: Emergent Phenomena in Correlated Matter, Jülich 2013, ISBN 978-3-89336-884-6