Введение
Регулярный рисунок упорядочения магнитных моментов
В материалах, проявляющих антиферромагнетизм, магнитные моменты атомов или молекул, обычно связанные со спинами электронов, выстраиваются в регулярном порядке, при котором соседние спины (на разных подрешетках) направлены в противоположные стороны. Это, как и ферромагнетизм и ферримагнетизм, является проявлением упорядоченного магнетизма. Феномен антиферромагнетизма был впервые предложен Львом Ландау в 1933 году. Как правило, антиферромагнитный порядок возникает при достаточно низких температурах, но исчезает при температуре Неля и выше – названной в честь Луи Неля, который первым на Западе выявил этот тип магнитного упорядочения. Выше температуры Неля материал обычно становится парамагнитным.
Измерение
Когда внешнее поле не приложено, антиферромагнитная структура соответствует нулевой полной намагниченности. В внешнем магнитном поле в антиферромагнитной фазе может проявляться поведение, подобное ферримагнетизму, при котором абсолютное значение намагниченности одной подрешетки отличается от намагниченности другой подрешетки, что приводит к ненулевой результирующей намагниченности. Хотя результирующая намагниченность должна быть равна нулю при температуре абсолютного нуля, эффект наклона спинов часто приводит к возникновению небольшой результирующей намагниченности, как, например, в гематите. Магнитная восприимчивость антиферромагнитного материала обычно достигает максимума при температуре Нееля. В отличие от этого, при переходе от ферромагнитного к парамагнитному состоянию восприимчивость стремится к бесконечности. В антиферромагнитном случае наблюдается расходимость ступенчатой восприимчивости. Различные микроскопические (обменные) взаимодействия между магнитными моментами или спинами могут приводить к антиферромагнитным структурам. В простейшем случае можно рассмотреть модель Изинга на двухдоменной решетке, например, простую кубическую решетку, с взаимодействиями между спинами на ближайших соседних узлах. В зависимости от знака этого взаимодействия возникает ферромагнитный или антиферромагнитный порядок. Геометрическая фрустрация или конкурирующие ферромагнитные и антиферромагнитные взаимодействия могут приводить к различным и, возможно, более сложным магнитным структурам. Зависимость между намагниченностью и намагничивающим полем нелинейна, как и в ферромагнитных материалах. Это обусловлено вкладом петли гистерезиса, которая для ферромагнитных материалов включает остаточную намагниченность.
Антиферромагнитные материалы
Антиферромагнитные структуры были впервые обнаружены с помощью нейтронной дифракции оксидов переходных металлов, таких как никель, железо и оксиды марганца. Эксперименты, проведенные Клиффордом Шулом, дали первые результаты, демонстрирующие возможность ориентации магнитных диполей в антиферромагнитной структуре. Антиферромагнитные материалы часто встречаются среди соединений переходных металлов, особенно оксидов. Примеры включают гематит, металлы, такие как хром, сплавы, такие как железомарганец (FeMn), и оксиды, такие как оксид никеля (NiO). Многочисленные примеры также наблюдаются среди металлоорганических кластеров с высокой ядерностью. Органические молекулы также могут проявлять антиферромагнитное взаимодействие в редких случаях, как, например, в радикалах типа 5-дегидро-м-ксилилена. Антиферромагнетики могут взаимодействовать с ферромагнетиками, например, посредством механизма, известного как обменное смещение, при котором ферромагнитная пленка либо наносится на антиферромагнетик, либо отжиг производится в выравнивающем магнитном поле, что приводит к выравниванию поверхностных атомов ферромагнетика с поверхностными атомами антиферромагнетика. Это позволяет "фиксировать" ориентацию ферромагнитной пленки, что является одним из основных применений в так называемых спиновых клапанах, лежащих в основе магнитных датчиков, включая современные головки чтения жестких дисков. Температура, при которой антиферромагнитный слой теряет способность "фиксировать" направление намагниченности соседнего ферромагнитного слоя, называется температурой блокировки этого слоя и обычно ниже температуры Нееля.
Геометрическое разочарование
В отличие от ферромагнетизма, антиферромагнитные взаимодействия могут приводить к множеству оптимальных состояний (состояний с минимальной энергией, или основных состояний). В одном измерении антиферромагнитное основное состояние представляет собой чередующуюся последовательность спинов: вверх, вниз, вверх, вниз и так далее. Однако в двух измерениях может существовать несколько основных состояний. Рассмотрим равносторонний треугольник с тремя спинами, расположенными по одному на каждой вершине. Если каждый спин может принимать только два значения (вверх или вниз), то существует 2³ = 8 возможных состояний системы, шесть из которых являются основными. Два состояния, не являющихся основными, – это когда все три спина направлены вверх или все три спина направлены вниз. В любом из остальных шести состояний будет два благоприятных взаимодействия и одно неблагоприятное. Это иллюстрирует фрустрацию – неспособность системы найти единственное основное состояние. Этот тип магнитного поведения наблюдается в минералах с кристаллической структурой, например, в решетках Кагоме или гексагональных решетках.
Другие свойства
Синтетические антиферромагниты (часто сокращаемые как SAF) – это искусственные антиферромагниты, состоящие из двух или более тонких ферромагнитных слоев, разделенных немагнитным слоем. Дипольное взаимодействие ферромагнитных слоев приводит к антипараллельному выравниванию их намагниченности. Антиферромагнетизм играет решающую роль в гигантском магнитосопротивлении, что было обнаружено в 1988 году лауреатами Нобелевской премии Альбертом Фертом и Петером Грюнбергом (награжденными в 2007 году) при использовании синтетических антиферромагнетиков. Существуют также примеры неупорядоченных материалов (таких как фосфатные стекла на основе железа), которые становятся антиферромагнитными ниже температуры Нееля. Эти неупорядоченные структуры "фрустрируют" антипараллельное упорядочение соседних спинов, то есть невозможно создать структуру, в которой каждый спин окружен спинами с противоположной ориентацией. Можно лишь установить, что средняя корреляция между соседними спинами носит антиферромагнитный характер. Этот тип магнетизма иногда называют сферомагнетизмом.