Антиферромагнетизм и магнитный порядок

Когда обменное взаимодействие способствует антипараллельному выравниванию, соседние спины направлены в противоположные стороны, создавая антиферромагнитный и ферримагнитный порядок с небольшой или нулевой результирующей намагниченностью.

Definition

Антиферромагнетизм — это магнитно упорядоченное состояние, в котором спины на взаимопроникающих подрешетках выравниваются антипараллельно, так что результирующая намагниченность исчезает; ферримагнетизм — это аналогичный порядок с неравными моментами подрешеток, который оставляет конечную результирующую намагниченность, причем оба состояния устанавливаются ниже характерной температуры упорядочения.

Scope

Эта тема охватывает магнитные упорядочения, выходящие за рамки простого ферромагнетизма: антиферромагнетизм с его компенсирующими подрешетками и температурой Нееля, ферримагнетизм с неравными подрешетками и результирующим моментом, двухподрешеточную теорию молекулярного поля, а также более сложные спиральные и неколлинеарные конфигурации. В ней рассматривается, как отрицательный обмен и геометрия решетки определяют характер упорядочения, пик восприимчивости при температуре упорядочения и роль нейтронной дифракции в обнаружении порядка, невидимого для объемной намагниченности.

Core questions

• Как отрицательное обменное взаимодействие приводит к антипараллельному упорядочению подрешеток?
• Что такое температура Нееля и как ведет себя восприимчивость вблизи нее?
• Чем ферримагнетизм отличается от антиферромагнетизма по своему результирующему моменту?
• Почему нейтронная дифракция необходима для выявления антиферромагнитного порядка?

Key concepts

• Антиферромагнитные подрешетки
• Температура Нееля и пик восприимчивости
• Ферримагнетизм и нескомпенсированные моменты
• Двухподрешеточная теория молекулярного поля
• Спиральные и неколлинеарные магнитные структуры

Key theories

Двухподрешеточная теория Нееля

Неель расширил теорию молекулярного поля на две взаимопроникающие подрешетки, связанные отрицательным обменом, предсказав антиферромагнитный порядок ниже температуры Нееля и, для неравных подрешеток, ферримагнетизм с результирующей намагниченностью, объяснив магнетизм ферритов.

Clinical relevance

Антиферромагнетики и ферримагнетики играют центральную роль в технологиях: ферриты используются в трансформаторах, индукторах и СВЧ-устройствах, в то время как антиферромагнитный порядок закрепляет опорные слои в спиновых вентилях магнитных датчиков и исследуется как активная среда для быстрой, надежной антиферромагнитной спинтроники.

History

Неель предсказал антиферромагнетизм и разработал теорию ферримагнетизма в 1930-х и 1940-х годах, работа, отмеченная Нобелевской премией 1970 года; эксперименты Шулла по нейтронной дифракции в конце 1940-х годов непосредственно подтвердили антиферромагнитный порядок, который не мог быть выявлен объемной намагниченностью.

Key figures

• Louis Néel
• Lev Landau
• Clifford Shull

Seminal works

• neel1948
• blundell2001

Frequently asked questions

Как материал может быть магнитно упорядоченным, но не иметь результирующей намагниченности?

В антиферромагнетике равные и противоположные намагниченности подрешеток точно компенсируют друг друга, поэтому существует дальний спиновый порядок, но нулевой результирующий момент; порядок реален и обнаруживается нейтронной дифракцией, хотя объемные магнитные измерения почти ничего не показывают.

В чем разница между антиферромагнетиком и ферримагнетиком?

Оба имеют антипараллельные подрешетки, но в антиферромагнетике противоположные моменты равны и компенсируют друг друга, тогда как в ферримагнетике подрешетки неравны, поэтому результирующая намагниченность сохраняется, как и в ферромагнетике.