Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus

Die magnetischen Eigenschaften der Materie werden grundsätzlich unterteilt in Diamagnetismus, Paramagnetismus und Ferromagnetismus. Damit sind jedoch nicht alle Materialien vollständig charakterisiert. Neben den genannten Eigenschaften gibt es auch Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus (Ferrimagnetismus statt Ferromagnetismus).

Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus sind vergleichbar mit der Überlagerung der magnetischen Eigenschaften zweier ferromagnetischer Stoffe unterschiedlicher Ausrichtung in einem einzigen Stoff. Man spricht von "zwei entgegengesetzt polarisierten ferromagnetischen Untergittern".

In Manganoxid (MnO) beispielsweise sind benachbarte Spins, die Elementarmagnete in Materialien, antiparallel ausgerichtet. Es bilden sich zwei Ebenen untereinander paralleler Spins, die entgegengerichtet sind. Dies ist typischer Antiferromagnetismus. Die magnetischen Eigenschaften von zwei verschiedenen ferromagnetischen "Untergittern" heben sich vollständig auf.

Der Ferrimagnetismus ist ein Antiferromagnetismus, bei dem die magnetischen Eigenschaften des einen Untergitters wesentlich schwächer sind als die des anderen Untergitters (siehe Abbildung). Es muss dabei nicht notwendigerweise so sein, dass die Untergitter genau antiparallel ausgerichtet sind und sich demnach vollständig aufheben.

Ferrimagnetismus und Antiferromagnetismus werden leicht verständlich, wenn man mit den Grundlagen des Ferromagnetismus vertraut ist.

Beim Ferromagnetismus kommt es über die Austauschwechselwirkung der Elektronenspins zu einer Stabilisierung der parallelen Ausrichtung benachbarter Spins der Atome. Dies führt dazu, dass ein Ferromagnet in einem Magnetfeld selbst magnetisch wird. Man spricht von Magnetisierung. Ist ein Ferromagnet vollständig magnetisiert, so sind alle Elektronenspins im Material parallel ausgerichtet. Der Ferromagnet ist dann selbst maximal magnetisch.

Die sogenannte Austauschwechselwirkung stabilisiert in einem Ferromagneten die parallele Ausrichtung der Spins einer bestimmten Atomsorte, beispielsweise der Eisenatome in festem Eisen.

Eigenschaften von antiferromagnetischem Stoff

In einem antiferromagnetischen Stoff stabilisieren sich jedoch nur ein Teil der atomaren Spins untereinander bei der parallelen Ausrichtung. Die restlichen Atome stabilisieren sich in einer entgegengerichteten Ausrichtung. Dies ist vergleichbar damit, dass in einem ferromagnetischen Stoff die Elektronenspins in einem Weißschen Bezirk parallel ausgerichtet sind, zwischen verschiedenen Weißschen Bezirken dagegen jedoch nicht parallel sind. Nur dass sich beim Antiferromagnetismus die verschiedenen Weißschen Bezirke überlappen und die erwähnten Untergitter bilden. Im einfachsten Fall sind im Antiferromagneten zwei verschiedene Untergitter gerade antiparallel ausgerichtet.

Ein Ferromagnet verstärkt ein äußeres Magnetfeld durch die eigene Magnetisierung. Oft wird dadurch das äußere Magnetfeld um das Tausendfache verstärkt. Beim Antiferromagneten ist das nicht der Fall, weil sich die magnetischen Momente der antiparallelen Untergitter kompensieren.

Eigenschaften von ferrimagnetischem Stoff

Beim Ferrimagnetismus kompensieren sich die magnetischen Eigenschaften der verschiedenen Untergitter nicht vollständig. Ferrimagnete verhalten sich deshalb wie schwächere Ferromagnete.

Die Curie-Temperatur der Ferromagnete beschreibt, ab welcher Temperatur ein Ferromagnet paramagnetisch wird. Die Ausrichtung der Spins wird oberhalb dieser Temperatur (T) durch die Wärmebewegung zerstört. Oberhalb der Curie-Temperatur T_C gibt es eine einfache Näherungsformel für die magnetische Suszeptibilität χ dieses Stoffes, nämlich:

\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\)
C ist dabei die sogenannte Curie-Konstante, die für jeden ferromagnetischen Stoff verschieden ist.

Bei den Antiferromagneten gibt es ebenfalls eine charakteristische Temperatur, oberhalb derer ein Antiferromagnet paramagnetisch wird.

Dies ist die Neel-Temperatur. Oberhalb der Neel-Temperatur T_N wird die Suszeptibilität nach der Formel

\(\chi = \frac{N}{T_N+T}\)
mit der Neel-Konstanten N abgeschätzt.