Antiferromagnétisme et ferrimagnétisme

Les propriétés magnétiques de la matière sont en principe divisées en diamagnétisme, paramagnétisme et ferromagnétisme. Cela ne permet toutefois pas de caractériser complètement tous les matériaux. Outre les propriétés mentionnées, il existe également l'antiferromagnétisme et le ferrimagnétisme (ferrimagnétisme au lieu de ferromagnétisme).

L'antiferromagnétisme et le ferrimagnétisme sont comparables à la superposition des propriétés magnétiques de deux matériaux ferromagnétiques ayant une orientation différente dans un seul et même matériau. On parle de "deux sous-réseaux ferromagnétiques polarisés de manière opposée".

Dans l'oxyde de manganèse (MnO) par exemple, des spins adjacents, les aimants élémentaires dans les matériaux, sont orientés de manière antiparallèle. Deux niveaux de spins se forment, eux-mêmes parallèles, qui sont orientés en sens inverse. Il s'agit d'un antiferromagnétisme typique. Les propriétés magnétiques de deux "sous-réseaux" ferromagnétiques différents s'annulent complètement.

Le ferrimagnétisme est un antiferromagnétisme dans lequel les propriétés magnétiques d'un sous-réseau sont nettement plus faibles que celles de l'autre sous-réseau (voir illustration). Il n'est pas nécessaire que les sous-réseaux soient antiparallèles.

Le ferrimagnétisme et l'antiferromagnétisme sont plus faciles à comprendre une fois que l'on est familiarisé avec les bases du ferromagnétisme.

Dans le ferromagnétisme, l'interaction d'échange des spins des électrons entraîne une stabilisation de l'orientation parallèle des spins voisins dans les atomes. Dans le cas du ferromagnétisme, l'interaction d'échange des spins des électrons entraîne une stabilisation de l'alignement parallèle des spins voisins des atomes. Cela a pour conséquence que dans un champ magnétique, un ferro-aimant devient lui-même magnétique. On parle alors de magnétisation. Lorsqu'un ferro-aimant est complètement magnétisé, tous les spins des électrons dans le matériau sont alignés de manière parallèle. Le ferro-aimant est alors lui-même magnétique avec une intensité maximale.

L'interaction, dite d'échange, stabilise dans un ferro-aimant l'alignement parallèle des spins d'un certain type d'atomes, par exemple des atomes de fer dans le fer solide.

Caractéristiques d'un matériau antiferromagnétique

Dans une substance antiferromagnétique, cependant seule une partie des spins atomiques se stabilisent entre eux lors de l'orientation parallèle. Les autres atomes se stabilisent dans une orientation opposée. Ceci est comparable au fait que dans un matériau ferromagnétique, les spins des électrons sont orientés parallèlement dans un domaine de Weiss, alors qu'ils ne le sont pas entre différents domaines de Weiss. Dans l'antiferromagnétisme, les différents domaines de Weiss se chevauchent et forment les sous-réseaux mentionnés. Dans un antiferro-aimant, dans le cas le plus simple, deux sous-réseaux différents sont alignés de manière antiparallèle.

Un ferro-aimant renforce un champ magnétique extérieur par sa propre magnétisation. Souvent, le champ magnétique extérieur est alors multiplié par mille. Ce n'est pas le cas pour l'antiferro-aimant, car les moments magnétiques des sous-réseaux anti-parallèles se compensent.

Caractéristiques du matériau ferrimagnétique

Dans le cas du ferrimagnétisme, les propriétés magnétiques des différents sous-réseaux ne se compensent pas complètement. Les ferri-aimants se comportent donc comme des ferro-aimants plus faibles.

La température de Curie La température de Curie des ferro-aimants indique à partir de quelle température un ferro-aimant devient paramagnétique. Au-delà de cette température (T), l'orientation des spins est brisée par le mouvement thermique. Au-delà de la température de Curie T_C, il existe une formule d'approximation simple pour la susceptibilité magnétique χ de cette substance, à savoir :

\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\)
C est ici ce que l'on appelle la constante de Curie, qui est différente pour chaque matériau ferromagnétique.

Pour les antiferro-aimants, il existe également une température caractéristique au-dessus de laquelle un antiferro-aimant devient paramagnétique.

C'est la température de Neel. Au-dessus de la température de Neel T_N, la susceptibilité est estimée avec la formule

\(\chi = \frac{N}{T_N+T}\).