Антиферромагнетизм — форма магнитного порядка, при которой магнитные моменты атомов или ионов ориентированы антипараллельно таким образом, что результирующий магнитный момент всего кристалла равен нулю. Такой порядок возникает в результате обменного взаимодействия между соседними атомами или ионами, обусловленного квантовомеханическими эффектами.
Наиболее простая модель антиферромагнетика — это двухподрешёточная модель. Кристалл рассматривается как состоящий из двух взаимопроникающих подрешёток A и B, в которых спины ориентированы противоположно. Если в подрешётке A все моменты направлены вверх, то в подрешётке B — вниз, и наоборот.
При температуре выше некоторой критической точки — неэлевской температуры TN — антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние, теряя дальний порядок. Ниже TN наблюдается четкий антиферромагнитный порядок. В отличие от ферромагнетиков, антиферромагнетики не обладают спонтанным намагничиванием даже при температуре 0 K.
Главным механизмом возникновения антиферромагнитного порядка является обменное взаимодействие, описываемое гамильтонианом Гейзенберга:
ℋ = −∑i, jJij S⃗i ⋅ S⃗j
Знак константы обмена Jij определяет характер взаимодействия:
В антиферромагнетиках J < 0, поэтому минимальная энергия достигается при антипараллельной ориентации соседних спинов.
При низких температурах магнитная восприимчивость антиферромагнетиков мала, так как намагниченность подрешёток компенсируется. Однако при приближении температуры к TN восприимчивость резко возрастает. В парамагнитной области (T > TN) восприимчивость удовлетворяет модифицированному закону Кюри-Вейсса:
$$ \chi = \frac{C}{T + \theta} $$
где θ — параметр, близкий по модулю к TN, но отрицательный.
В антиферромагнетиках, как и в ферромагнетиках, возможны спиновые волны (магноны), однако их спектр существенно отличается. Для идеального антиферромагнетика спектр возбуждений имеет две ветви, отражающие колебания спинов двух подрешёток. В длинноволновом пределе дисперсионное соотношение имеет линейный характер:
ω(k) ≈ csk
где cs — скорость спиновых волн. Это контрастирует с квадратичным спектром ферромагнетиков при малых k.
Типичные антиферромагнетики включают:
Многие из этих соединений демонстрируют переходы типа спиновая переориентация, метамагнетизм, слабый ферромагнетизм при легком перекосе спинов.
Ферримагнетизм — форма магнитного порядка, при которой магнитные моменты подрешёток также антипараллельны, как и в антиферромагнетиках, но их модули различны. В результате наблюдается ненулевая суммарная намагниченность, что делает ферримагнетики внешне схожими с ферромагнетиками.
Пример: в шпинелях (например, магнетит Fe₃O₄), ионы Fe³⁺ занимают позиции двух подрешёток и ориентированы противоположно, но на подрешётках также находятся ионы Fe²⁺, вносящие асимметрию в величину магнитных моментов.
Ферримагнетики характеризуются температурой Кюри TC, выше которой исчезает дальний порядок и вещество становится парамагнитным. Однако в отличие от ферромагнетиков, в ферримагнетиках может наблюдаться температура компенсации Tcomp, при которой полные магнитные моменты подрешёток компенсируют друг друга, и суммарная намагниченность обнуляется.
Температурная зависимость намагниченности может носить не монотонный характер, особенно в случаях с несколькими неэквивалентными ионами.
Рассматривая ферримагнетик как состоящий из двух подрешёток A и B с антипараллельными спинами M⃗A и M⃗B, можно описать термодинамическое поведение с помощью уравнений Ландау-Лифшица, учитывая различия в температурной зависимости:
M⃗(T) = M⃗A(T) + M⃗B(T)
При определённой температуре Tcomp, может быть выполнено условие:
|M⃗A(Tcomp)| = |M⃗B(Tcomp)| ⇒ M⃗(Tcomp) = 0
Однако вещество при этом всё ещё находится в магнитоупорядоченном состоянии.
Ферримагнетики распространены среди:
Они широко применяются в радиотехнике, запоминающих устройствах, микроволновой технике и магнонике. Высокая проницаемость, низкие потери и устойчивость к перемагничиванию делают их незаменимыми в индустрии.
Переход между антиферромагнитным и ферримагнитным состоянием может быть индуцирован внешним полем, легированием или изменением температуры. Также возможны метамагнитные переходы, при которых антиферромагнетик при достаточно сильном внешнем поле переходит в ферромагнитное состояние.
Как и в ферромагнетиках, в ферримагнетиках могут существовать домены — области с однородной намагниченностью. Однако структура доменов более сложна из-за неоднородности по подрешёткам. Антиферромагнетики также обладают доменной структурой, но их магнитная характеристика слабо выражена из-за нулевой суммарной намагниченности, и наблюдать такие домены затруднительно.
Методы исследования спиновой структуры включают нейтронографию, магнитную резонансную спектроскопию, магноновую спектроскопию, а также современную спинтронную визуализацию.
Ферримагнетики находят активное применение в магнитных носителях информации, магнонике, спинтронике, а также в СВЧ-технике. Антиферромагнетики представляют интерес для создания быстродействующих спинтронных устройств из-за их способности к сверхбыстрой динамике и отсутствия макроскопической намагниченности, что уменьшает помехи.
Особый интерес вызывают антиферромагнитные топологические изоляторы и ферримагнитные материалы с температурой компенсации, пригодной для температур окружающей среды.