Antiferromagnetismo e ferrimagnetismo

Le proprietà magnetiche della materia sono fondamentalmente classificate in diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo. Tuttavia, questo non caratterizza completamente tutti i materiali. Oltre a queste proprietà, esistono anche l'antiferromagnetismo e il ferrimagnetismo (ferrimagnetismo anziché ferromagnetismo).

L'antiferromagnetismo e il ferrimagnetismo sono paragonabili alla sovrapposizione delle proprietà magnetiche di due materiali ferromagnetici con orientamenti diversi in un unico materiale. Si parla di "due sublattici ferromagnetici polarizzati in modo opposto".

Nell'ossido di manganese (MnO), ad esempio, gli spin vicini, i magneti elementari dei materiali, sono allineati in modo antiparallelo. Si formano due piani di spin paralleli, orientati in direzioni opposte. Questo è il tipico antiferromagnetismo. Le proprietà magnetiche di due diversi "sublattici" ferromagnetici si annullano completamente.

Il ferrimagnetismo è un antiferromagnetismo in cui le proprietà magnetiche di un sublattice sono notevolmente più deboli di quelle dell'altro sublattice (vedi figura). Non è detto che i sublattici siano allineati esattamente in modo antiparallelo e quindi si annullino completamente.

Il ferromagnetismo e l'antiferromagnetismo sono facili da capire se si conoscono le basi del ferromagnetismo.

Nel ferromagnetismo, l'interazione di scambio degli spin degli elettroni porta alla stabilizzazione dell'allineamento parallelo degli spin degli atomi vicini. Questo fa sì che un ferromagnete diventi magnetico all'interno di un campo magnetico. Questo fenomeno è noto come magnetizzazione. Se un ferromagnete è completamente magnetizzato, tutti gli spin degli elettroni nel materiale sono allineati in parallelo. Il ferromagnete stesso è quindi massimamente magnetico.

La cosiddetta interazione di scambio stabilizza l'allineamento parallelo degli spin di un certo tipo di atomi in un ferromagnete, ad esempio gli atomi di ferro nel ferro solido.

Proprietà dei materiali antiferromagnetici

In una sostanza antiferromagnetica, tuttavia, solo alcuni degli spin atomici si stabilizzano tra loro con un allineamento parallelo. I restanti atomi si stabilizzano con un orientamento opposto. Ciò è paragonabile al fatto che in un materiale ferromagnetico gli spin degli elettroni sono allineati in parallelo in un dominio di Weiss, ma non sono paralleli tra domini di Weiss diversi. L'unica differenza è che nell'antiferromagnetismo i diversi domini di Weiss si sovrappongono e formano i suddetti sublattici. Nel caso più semplice, due diversi sublattici sono allineati in modo antiparallelo nell'antiferromagnete.

Un ferromagnete amplifica un campo magnetico esterno attraverso la propria magnetizzazione. Questo spesso amplifica il campo magnetico esterno di un fattore mille. Ciò non avviene negli antiferromagneti, perché i momenti magnetici dei sublattici antiparalleli si compensano a vicenda.

Proprietà dei materiali antiferromagnetici

Nel ferrimagnetismo, le proprietà magnetiche dei diversi sublattici non si compensano completamente. I ferrimagneti si comportano quindi come ferromagneti più deboli.

La temperatura di Curie dei ferromagneti descrive la temperatura alla quale un ferromagnete diventa paramagnetico. Al di sopra di questa temperatura (T), l'allineamento degli spin viene distrutto dal movimento termico. Al di sopra della temperatura di Curie T_C, esiste una semplice formula di approssimazione per la suscettibilità magnetica χ di questo materiale, vale a dire:

\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\)
C è la cosiddetta costante di Curie, diversa per ogni materiale ferromagnetico.

Gli antiferromagneti hanno anche una temperatura caratteristica al di sopra della quale un antiferromagnete diventa paramagnetico.

Questa è la temperatura di Neel. Al di sopra della temperatura di Neel T_N, la suscettibilità viene stimata utilizzando la formula

\(\chi = \frac{N}{T_N+T}\)
con la costante di Neel N.