Antiferromagnetismo

El antiferromagnetismo es un tipo de ordenamiento magnético , junto con el ferromagnetismo y el ferrimagnetismo . En los antiferromagnetos, los dipolos magnéticos individuales están orientados de tal manera que la mayor parte del material tiene una magnetización total nula . En el modelo más simple, como se muestra en la imagen de la derecha, los momentos vecinos en una red ordenada están orientados antiparalelamente entre sí. ^{[ 1 ]} Dado que existen múltiples formas de organizar los momentos magnéticos en una red (especialmente en tres dimensiones), existen varios tipos de ordenamiento antiferromagnético. ^{[ 1 ]} El fenómeno del antiferromagnetismo fue descrito por primera vez por Lev Landau en 1933. ^{[ 2 ]}

Generalmente, el orden antiferromagnético puede existir a temperaturas suficientemente bajas, pero desaparece a partir de la temperatura de Néel , llamada así en honor a Louis Néel , quien fue el primero en identificar este tipo de ordenamiento magnético. ^{[ 3 ]} Por encima de la temperatura de Néel, el material suele ser paramagnético .

Cuando no se aplica un campo externo, la estructura antiferromagnética corresponde a una magnetización total nula. En presencia de un campo magnético externo, puede observarse un comportamiento ferrimagnético en la fase antiferromagnética, donde el valor absoluto de la magnetización de una subred difiere del de la otra, lo que resulta en una magnetización neta distinta de cero. Si bien la magnetización neta debería ser cero a una temperatura de cero absoluto , el efecto de inclinación de espín suele provocar el desarrollo de una pequeña magnetización neta, como se observa, por ejemplo, en la hematita . ^{[ 4 ]}

La susceptibilidad magnética de un material antiferromagnético suele mostrar un máximo en la temperatura de Néel. Por el contrario, en la transición entre las fases ferromagnética y paramagnética, la susceptibilidad diverge. En el caso antiferromagnético, se observa una divergencia en la susceptibilidad escalonada .

Diversas interacciones microscópicas (de intercambio) entre los momentos magnéticos o espines pueden dar lugar a estructuras antiferromagnéticas. En el caso más simple, se puede considerar un modelo de Ising en una red bipartita , por ejemplo, la red cúbica simple , con acoplamientos entre espines en sitios vecinos. Dependiendo del signo de dicha interacción, se obtendrá un orden ferromagnético o antiferromagnético. La frustración geométrica o las interacciones ferro- y antiferromagnéticas competitivas pueden dar lugar a estructuras magnéticas diferentes y, quizás, más complejas.

La relación entre la magnetización y el campo magnetizante es no lineal como en los materiales ferromagnéticos . Este hecho se debe a la contribución del ciclo de histéresis , ^{[ 5 ]} que para los materiales ferromagnéticos implica una magnetización residual .

Las estructuras antiferromagnéticas se demostraron por primera vez mediante la difracción de neutrones de óxidos de metales de transición como los de níquel, hierro y manganeso. Los experimentos, realizados por Clifford Shull , proporcionaron los primeros resultados que mostraban que los dipolos magnéticos podían orientarse en una estructura antiferromagnética. ^{[ 6 ]}

Los materiales antiferromagnéticos son comunes entre los compuestos de metales de transición , especialmente en los óxidos. Algunos ejemplos son la hematita , metales como el cromo , aleaciones como el hierro-manganeso (FeMn) y óxidos como el óxido de níquel (NiO). También existen numerosos ejemplos entre los cúmulos metálicos de alta nuclearidad. Las moléculas orgánicas también pueden presentar acoplamiento antiferromagnético en raras ocasiones, como se observa en radicales como el 5-dehidro-m-xilileno .

Los antiferromagnetos pueden acoplarse a los ferromagnetos, por ejemplo, mediante un mecanismo conocido como polarización de intercambio , en el que la película ferromagnética se deposita sobre el antiferromagneto o se recoce en un campo magnético alineador, lo que provoca que los átomos superficiales del ferromagneto se alineen con los átomos superficiales del antiferromagneto. Esto permite fijar la orientación de una película ferromagnética, lo que constituye una de las principales aplicaciones de las denominadas válvulas de espín , que son la base de los sensores magnéticos, incluidos los cabezales de lectura de los discos duros modernos . La temperatura a la que una capa antiferromagnética pierde su capacidad de fijar la dirección de magnetización de una capa ferromagnética adyacente se denomina temperatura de bloqueo de dicha capa y suele ser inferior a la temperatura de Néel.

A diferencia del ferromagnetismo, las interacciones antiferromagnéticas pueden dar lugar a múltiples estados óptimos (estados fundamentales: estados de energía mínima). En una dimensión, el estado fundamental antiferromagnético consiste en una serie alternada de espines: arriba, abajo, arriba, abajo, etc. Sin embargo, en dos dimensiones, pueden existir múltiples estados fundamentales.

Consideremos un triángulo equilátero con tres espines, uno en cada vértice. Si cada espín solo puede tomar dos valores (hacia arriba o hacia abajo), hay 2³ ⁼ 8 estados posibles del sistema, seis de los cuales son estados fundamentales. Las dos situaciones que no son estados fundamentales son cuando los tres espines están hacia arriba o todos están hacia abajo. En cualquiera de los otros seis estados, habrá dos interacciones favorables y una desfavorable. Esto ilustra la frustración : la incapacidad del sistema para encontrar un único estado fundamental. Este tipo de comportamiento magnético se ha encontrado en minerales que tienen una estructura de apilamiento cristalino como una red de Kagome o una red hexagonal .

Los antiferromagnetos sintéticos (a menudo abreviados como SAF) son antiferromagnetos artificiales que consisten en dos o más capas ferromagnéticas delgadas separadas por una capa no magnética. ^{[ 7 ]} El acoplamiento dipolar de las capas ferromagnéticas da como resultado una alineación antiparalela de la magnetización de los ferromagnetos.

El antiferromagnetismo desempeña un papel crucial en los dispositivos que emplean magnetoresistencia gigante (GMR), un efecto descubierto ^{[ 8 ] [ 9 ]} en 1988 por los premios Nobel Albert Fert y Peter Grünberg (otorgado en 2007). En primer lugar, porque los antiferromagnetos se emplean como capas de anclaje y también porque el diseño original del dispositivo (multicapa de hierro-cromo-hierro con el espesor de la capa de Cr cuidadosamente ajustado ^{[ 10 ]} ) equivale a un antiferromagneto sintético. ^{[ 11 ]}

También existen ejemplos de materiales desordenados (como los vidrios de fosfato de hierro) que se vuelven antiferromagnéticos por debajo de su temperatura de Néel. Estas redes desordenadas «frustran» el antiparalelismo de los espines adyacentes; es decir, no es posible construir una red donde cada espín esté rodeado por espines vecinos opuestos. Solo se puede determinar que la correlación promedio de los espines vecinos es antiferromagnética. Este tipo de magnetismo se denomina a veces esperomagnetismo .

• sesgo de intercambio
• Magnetorresistencia gigante : fenómeno que implica el cambio de conductividad en capas metálicas. 
• Imán geométricamente frustrado : estructuras complejas en la física de la materia. Páginas que muestran breves descripciones de destinos de redireccionamiento. 
• Modelo de Ising : modelo matemático del ferromagnetismo en mecánica estadística. 
• Modelo ANNNI : una variante del modelo de Ising. 
• Mottness – Aislantes eléctricos que convencionalmente se consideran conductores. Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redireccionamiento. 
• Líquido de espín cuántico : fase de la materia 
• Ferromagnetismo : Mecanismo por el cual los materiales forman imanes y son atraídos por ellos. 
• Diamagnetismo : propiedad magnética de los materiales comunes. 

• Contenido multimedia relacionado con el antiferromagnetismo en Wikimedia Commons
• 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