Антиферромагнетизм и ферримагнетизм

Антиферромагнетизм и ферримагнетизм представляют собой два фундаментально различных типа магнитного упорядочения в твёрдых телах, связанных с взаимным расположением магнитных моментов атомов или ионов. Они играют ключевую роль в развитии спинтроники, где управление спином электронов позволяет создавать новые функциональные устройства.

Антиферромагнетизм

Антиферромагнетизм характеризуется антипараллельным выравниванием соседних спинов, что приводит к полному или частичному взаимному компенсированию макроскопического магнитного момента.

Ключевые моменты:

  1. Механизм взаимодействия: Основой антиферромагнетизма является обменное взаимодействие, описываемое моделью Гейзенберга:

    $$ \hat{H} = -2 \sum_{i,j} J_{ij} \hat{\mathbf{S}}_i \cdot \hat{\mathbf{S}}_j, $$

    где Jij < 0 для антиферромагнитной связи между спинами $\hat{\mathbf{S}}_i$ и $\hat{\mathbf{S}}_j$.

  2. Кристаллическая структура: Антиферромагнитные материалы часто имеют упорядоченные кристаллические решётки, такие как кубическая или гексагональная, где атомы с противоположно ориентированными спинами занимают разные подрешётки (субрешётки).

  3. Температурные эффекты: Антиферромагнитное упорядочение сохраняется до критической температуры — температуры Нейеля TN. При T > TN тепловые флуктуации разрушают спиновое упорядочение, и материал становится парамагнитным.

  4. Энергетическая минимизация: Конфигурация спинов в антиферромагнетиках минимизирует энергию обменного взаимодействия, при этом суммарный магнитный момент часто равен нулю, что делает антиферромагнетики мало чувствительными к внешним магнитным полям.

Примеры антиферромагнетиков: MnO, FeO, NiO, Cr₂O₃.

Ферримагнетизм

Ферримагнетизм представляет собой особый тип магнитного упорядочения, при котором спины на разных подрешётках ориентированы антипараллельно, но имеют разную величину магнитных моментов, что приводит к неполному компенсированию и ненулевому макроскопическому магнитному моменту.

Ключевые моменты:

  1. Механизм взаимодействия: Ферримагнитное упорядочение также основано на обменном взаимодействии Гейзенберга, однако моменты на подрешётках отличаются:

    Mсумм = ∑i ∈ Ami − ∑j ∈ Bmj ≠ 0.

  2. Структурные особенности: Ферримагнетики часто встречаются среди оксидов переходных металлов (спинелевые структуры), где два типа ионов с разными магнитными моментами занимают различающиеся позиции в кристалле. Например, Fe₃O₄ (магнетит) имеет ферримагнитное упорядочение.

  3. Температурная зависимость: У ферримагнетиков также существует критическая температура — температура Кюри TC. Ниже TC материал демонстрирует устойчивый магнитный момент; выше TC ферримагнетик становится парамагнитным.

  4. Магнитные свойства: Ферримагнетики обладают выраженной намагниченностью и гистерезисом, что делает их пригодными для создания магнитных носителей информации, спинтронических устройств и сенсоров.

Сравнение антиферромагнетизма и ферримагнетизма

Свойство Антиферромагнетизм Ферримагнетизм
Направление соседних спинов Антипараллельное Антипараллельное
Магнитные моменты подрешёток Равные Разные
Суммарный магнитный момент ≈0 ≠0
Критическая температура TN TC
Примеры MnO, NiO Fe₃O₄, Y₃Fe₅O₁₂

Роль в спинтронике

  1. Антиферромагнетики:

    • Быстрые динамические отклики спина (ТГц диапазон), что важно для высокоскоростных спинтронных устройств.
    • Отсутствие макроскопического магнитного поля снижает взаимодействие с соседними компонентами схемы.

  2. Ферримагнетики:

    • Создают стабильный магнитный момент, пригодный для хранения информации.
    • Могут использоваться в магнитных туннельных структурах, MRAM и спиновых фильтрах.

  3. Интерфейсы ферримагнетик–антиферромагнетик:

    • Эффект exchange bias — смещение петли гистерезиса ферромагнетика при контакте с антиферромагнетиком, что позволяет стабилизировать магнитное состояние.

Математическое описание и динамика

Уравнения Ландау–Лифшица для спиновых систем:

Для ферримагнетика с магнитными подрешётками A и B:

$$ \frac{d\mathbf{M}_A}{dt} = -\gamma \mathbf{M}_A \times \mathbf{H}^{\text{eff}}_A + \alpha \mathbf{M}_A \times \frac{d\mathbf{M}_A}{dt}, $$

$$ \frac{d\mathbf{M}_B}{dt} = -\gamma \mathbf{M}_B \times \mathbf{H}^{\text{eff}}_B + \alpha \mathbf{M}_B \times \frac{d\mathbf{M}_B}{dt}, $$

где Heff включает обменное, внешнее и анизотропное поле. Эти уравнения описывают прецессию и релаксацию спинов, что критично для анализа спиновых волн, доменных стенок и спинового транспорта.

Спиновые волны (магноны): Антиферромагнетики обладают линейной дисперсией низкочастотных магнонов, что обеспечивает высокую скорость распространения сигналов. Ферримагнетики имеют несимметричную дисперсию и меньшую скорость распространения.

Оглавление