miniatura|Ordenamento antiferromagnético miniatura|Comparação entre os ordenamentos ferromagnético, antiferromagnético e ferrimagnético
Antiferromagnetismo é um tipo de ordenamento magnético, ao lado do ferromagnetismo e do ferrimagnetismo. Nos antiferromagnetos, os momentos magnéticos individuais se orientam de modo que o material como um todo tenha magnetização total nula. No modelo mais simples, mostrado na imagem ao lado, momentos vizinhos em uma rede cristalina ordenada se orientam de forma antiparalela. Como há muitas maneiras de organizar momentos magnéticos em uma rede, sobretudo em três dimensões, existem diferentes tipos de ordenamento antiferromagnético.
Lev Landau examinou em 1933 a dependência da susceptibilidade magnética em relação ao campo em baixas temperaturas. Louis Néel formulou em 1936 uma teoria em que a rede magnética é dividida em sub-redes com magnetizações espontâneas opostas.
Em geral, a ordem antiferromagnética existe em temperaturas suficientemente baixas e desaparece na temperatura de Néel e acima dela. A temperatura recebeu esse nome em homenagem a Néel. Acima da temperatura de Néel, o material costuma ser paramagnético.
Estrutura e interações No modelo colinear mais simples, um antiferromagneto pode ser dividido em duas sub-redes magnéticas, A e B. Suas magnetizações, e , têm a mesma magnitude e sentidos opostos. A magnetização total é, portanto,
A ordem antiferromagnética pode ser expressa pelo vetor de Néel,
que permanece diferente de zero mesmo quando a magnetização total se anula. A ausência de magnetização macroscópica, portanto, não implica ausência de ordem magnética microscópica. Um cristal também pode conter domínios antiferromagnéticos nos quais o vetor de Néel assume diferentes orientações energeticamente equivalentes.
Diferentes interações de troca microscópicas entre momentos magnéticos ou spins podem gerar estruturas antiferromagnéticas. As interações dipolares magnéticas, por si sós, geralmente são fracas demais para explicar as temperaturas em que aparece a ordem antiferromagnética em muitos sólidos. Nesses materiais, a interação de troca fornece o acoplamento dominante.
Em sólidos iônicos como MnO e NiO, os íons magnéticos podem interagir por intermédio de um íon não magnético, em geral oxigênio. Esse mecanismo é chamado superintercâmbio. Dependendo dos orbitais envolvidos e de sua geometria, ele pode favorecer o alinhamento antiparalelo dos spins. Outros materiais apresentam troca direta ou formas indiretas de troca, e a estrutura resultante não precisa corresponder ao modelo simples de vizinhos alternadamente para cima e para baixo.
No caso mais simples, pode-se considerar um modelo de Ising em uma rede bipartida, como a rede cúbica simples do sistema cristalino cúbico, com acoplamento entre spins em sítios vizinhos. Dependendo do sinal da interação, surge ordem ferromagnética ou antiferromagnética. A frustração geométrica ou a competição entre interações ferro e antiferromagnéticas podem produzir estruturas magnéticas diferentes e mais complicadas.
Medição Quando não há campo magnético externo aplicado, uma estrutura antiferromagnética colinear e compensada apresenta magnetização total nula. Sob um campo externo, os momentos das sub-redes podem se inclinar ou alterar sua orientação e produzir uma magnetização líquida diferente de zero. Mesmo sem campo aplicado, a inclinação dos spins pode gerar uma pequena magnetização resultante em alguns materiais, como ocorre na hematita.
A susceptibilidade magnética de um material antiferromagnético normalmente apresenta um máximo perto da temperatura de Néel. No modelo de duas sub-redes, a susceptibilidade de um monocristal ordenado também depende da orientação do campo em relação ao eixo antiferromagnético. A componente paralela diminui à medida que a temperatura cai abaixo da temperatura de Néel, enquanto a componente perpendicular varia muito menos. As duas coincidem na temperatura de transição. Em uma amostra policristalina ou multidomínio, a resposta medida combina diferentes orientações dos domínios.
Na transição entre as fases ferromagnética e paramagnética, a susceptibilidade uniforme diverge. Em um antiferromagneto, a grandeza que diverge na transição é a susceptibilidade escalonada, correspondente à resposta do parâmetro de ordem antiferromagnético.
Campos magnéticos suficientemente fortes podem reorientar as sub-redes. Em determinados antiferromagnetos uniaxiais, quando o campo é aplicado ao longo do eixo fácil, ocorre uma transição de spin-flop. Os momentos deixam a configuração colinear inicial e passam para uma orientação aproximadamente transversal ao campo, mantendo uma pequena inclinação que produz magnetização na direção do campo. Campos ainda maiores podem aproximar os momentos de uma configuração paralela.
Materiais antiferromagnéticos Estruturas antiferromagnéticas foram demonstradas por difração de nêutrons em óxidos de metais de transição, entre eles óxidos de níquel, ferro e manganês. Os experimentos de Clifford Shull forneceram evidências diretas da organização dos momentos magnéticos em estruturas antiferromagnéticas.
Materiais antiferromagnéticos são comuns entre compostos de metais de transição, sobretudo óxidos. Entre os exemplos estão a hematita, MnO, o óxido de níquel(II) (NiO), ligas de ferro e manganês como FeMn e o cromo. O cromo, porém, não segue o modelo simples de duas sub-redes com momentos localizados alternados. Abaixo de sua temperatura de Néel, sua estrutura magnética é uma onda de densidade de spin espacialmente modulada e incomensurável em grande parte do diagrama de fases.
O acoplamento antiferromagnético também ocorre em aglomerados metálicos de alta nuclearidade. Complexos moleculares de cobre com 16 ou 21 centros metálicos, por exemplo, apresentam interações antiferromagnéticas entre parte ou todos os centros vizinhos. Moléculas orgânicas também podem apresentar acoplamento antiferromagnético em casos raros, como no radical 5-dehidro-m-xilileno.
Antiferromagnetos podem se acoplar a ferromagnetos por um mecanismo chamado polarização por intercâmbio, por exemplo quando um filme ferromagnético é depositado sobre um antiferromagneto ou recozido em um campo magnético de alinhamento. O acoplamento na interface permite "fixar" a orientação do filme ferromagnético. Essa propriedade é usada em válvulas de spin, empregadas em sensores magnéticos e cabeças de leitura de unidades de disco rígido. A temperatura a partir da qual uma camada antiferromagnética perde a capacidade de fixar a direção de magnetização de uma camada ferromagnética adjacente é chamada temperatura de bloqueio. Ela costuma ser inferior à temperatura de Néel, embora possa se aproximar dela em determinados sistemas.
Frustração geométrica
miniatura|Frustração em três spins dispostos nos vértices de um triângulo. Com interações antiferromagnéticas, os três pares não podem ficar antiparalelos ao mesmo tempo.
Ao contrário do caso ferromagnético mais simples, interações antiferromagnéticas podem levar a mais de um estado fundamental, isto é, a diferentes configurações com a mesma energia mínima. Em uma dimensão, o estado fundamental de uma cadeia antiferromagnética simples é uma sequência alternada de spins, para cima, para baixo, para cima, para baixo e assim por diante. Em duas dimensões, a geometria da rede pode impedir que todas as interações sejam satisfeitas simultaneamente.
Considere um triângulo equilátero com três spins, um em cada vértice. Se cada spin puder assumir apenas dois valores, para cima ou para baixo, haverá 23 = 8 estados possíveis para o sistema, dos quais seis são estados fundamentais. Os dois estados que não são fundamentais ocorrem quando os três spins apontam para cima ou quando os três apontam para baixo. Em cada um dos outros seis estados, haverá duas interações favoráveis e uma desfavorável. Nenhuma configuração consegue colocar os três pares de spins em orientações antiparalelas. Essa incompatibilidade é a frustração geométrica. Redes formadas por triângulos, entre elas a rede de kagome, podem apresentar esse comportamento.
Outras propriedades Antiferromagnetos sintéticos, frequentemente abreviados como SAF, são estruturas artificiais formadas por duas ou mais camadas ferromagnéticas finas separadas por uma camada não magnética. O acoplamento entre as camadas ferromagnéticas produz um alinhamento antiparalelo de suas magnetizações.
O antiferromagnetismo é usado em dispositivos de magnetorresistência gigante (GMR). O efeito foi descoberto em 1988 por equipes lideradas por Albert Fert e Peter Grünberg, que receberam o Prêmio Nobel de Física de 2007 pela descoberta. Nos dispositivos de GMR, antiferromagnetos podem ser usados como camadas de fixação. A configuração original com camadas de ferro separadas por cromo, quando a espessura do Cr é ajustada para produzir acoplamento antiferromagnético entre as camadas de Fe, também corresponde a um antiferromagneto sintético.
A spintrônica antiferromagnética explora a ordem de Néel e o transporte de spin em materiais antiferromagnéticos. A orientação antiferromagnética pode ser detectada e, em certos sistemas, alterada por correntes elétricas. Entre os fenômenos estudados estão o movimento de paredes de domínio, a propagação de ondas de spin e o transporte de momento angular por excitações magnéticas.
Há também materiais desordenados, como vidros de fosfato de ferro, que apresentam ordenamento antiferromagnético de curto alcance em baixas temperaturas. Nesses materiais, os spins não formam uma estrutura antiparalela periódica de longo alcance. Surgem correlações locais nas quais, em média, momentos próximos tendem a se orientar antiparalelamente. Esse tipo de ordem magnética de curto alcance é chamado speromagnetismo.
Ver também Polarização por intercâmbio, acoplamento entre camadas ferromagnéticas e antiferromagnéticas Magnetorresistência gigante, efeito empregado em estruturas magnéticas multicamadas Modelo de Ising, modelo de spins usado no estudo do ordenamento magnético Líquido de spin quântico, estado associado a sistemas magnéticos fortemente frustrados
Ligações externas
Magnetism: Models and Mechanisms, em E. Pavarini, E. Koch e U. Schollwöck, Emergent Phenomena in Correlated Matter, Jülich, 2013, .
Categoria:Fases quânticas Categoria:Física da matéria condensada Categoria:Magnetismo