Estrutura magnética - Magnetic structure

Uma estrutura ferromagnética muito simples

Uma estrutura antiferromagnética muito simples

Um arranjo antiferromagnético simples diferente em 2D

O termo estrutura magnética de um material pertence ao arranjo ordenado de spins magnéticos, tipicamente dentro de uma rede cristalográfica ordenada . Seu estudo é um ramo da física do estado sólido .

Estruturas magnéticas

A maioria dos materiais sólidos não são magnéticos, ou seja, não apresentam estrutura magnética. Devido ao princípio de exclusão de Pauli , cada estado é ocupado por elétrons de spins opostos, de forma que a densidade de carga é compensada em todos os lugares e o grau de liberdade do spin é trivial. Ainda assim, esses materiais normalmente mostram um comportamento magnético fraco, por exemplo, devido ao paramagnetismo de Pauli ou ao diamagnetismo de Langevin ou Landau .

O caso mais interessante é quando o elétron do material quebra espontaneamente a simetria acima mencionada. Para o ferromagnetismo no estado fundamental, há um eixo de quantização de spin comum e um excesso global de elétrons de um determinado número quântico de spin, há mais elétrons apontando em uma direção do que na outra, dando uma magnetização macroscópica (normalmente, a maioria dos elétrons são escolhidos para apontar para cima). Nos casos mais simples (colineares) de antiferromagnetismo , ainda há um eixo de quantização comum, mas os spins eletrônicos estão apontando alternadamente para cima e para baixo, levando novamente ao cancelamento da magnetização macroscópica. No entanto, especificamente no caso de frustração das interações, as estruturas resultantes podem se tornar muito mais complicadas, com orientações inerentemente tridimensionais dos spins locais. Finalmente, o ferrimagnetismo como prototipicamente exibido pela magnetita é, em certo sentido, um caso intermediário: aqui a magnetização é globalmente descompensada como no ferromagnetismo, mas a magnetização local aponta em direções diferentes.

A discussão acima se refere à estrutura do estado fundamental. Claro, temperaturas finitas levam a excitações da configuração de spin. Aqui, dois pontos de vista extremos podem ser contrastados: na imagem de Stoner do magnetismo (também chamado de magnetismo itinerante), os estados eletrônicos são deslocalizados e sua interação de campo médio leva à quebra de simetria. Nesta visão, com o aumento da temperatura, a magnetização local diminuiria homogeneamente, pois os elétrons deslocalizados únicos são movidos do canal superior para o canal inferior. Por outro lado, no caso do momento local, os estados eletrônicos são localizados em átomos específicos, dando spins atômicos, que interagem apenas em um curto intervalo e normalmente são analisados ​​com o modelo de Heisenberg . Aqui, as temperaturas finitas levam a um desvio das orientações dos spins atômicos da configuração ideal, assim para um ferromagneto também diminuindo a magnetização macroscópica.

Para magnetismo localizado, muitas estruturas magnéticas podem ser descritas por grupos espaciais magnéticos , que fornecem uma contabilidade precisa para todos os grupos de simetria possíveis de configurações para cima / para baixo em um cristal tridimensional. No entanto, esse formalismo é incapaz de explicar algumas estruturas magnéticas mais complexas, como as encontradas no helimagnetismo .

Técnicas para estudá-los

Tal ordenação pode ser estudada observando a susceptibilidade magnética em função da temperatura e / ou do tamanho do campo magnético aplicado, mas uma imagem verdadeiramente tridimensional do arranjo dos spins é melhor obtida por meio de difração de nêutrons . Os nêutrons são espalhados principalmente pelos núcleos dos átomos na estrutura. Em uma temperatura acima do ponto de ordenação dos momentos magnéticos, onde o material se comporta como um paramagnético, a difração de nêutrons dará, portanto, uma imagem apenas da estrutura cristalográfica. Abaixo do ponto de ordenação, por exemplo, a temperatura Néel de um antiferroímã ou o ponto Curie de um ferroímã, os nêutrons também sofrerão dispersão a partir dos momentos magnéticos porque eles próprios possuem spin. As intensidades das reflexões de Bragg irão, portanto, mudar. De fato, em alguns casos, reflexões de Bragg inteiramente novas ocorrerão se a célula unitária da ordenação for maior do que a da estrutura cristalográfica. Esta é uma forma de formação de superestrutura . Assim, a simetria da estrutura total pode muito bem diferir da subestrutura cristalográfica. Ele precisa ser descrito por um dos grupos magnéticos de 1651 (Shubnikov) em vez de um dos grupos espaciais não magnéticos .

Embora a difração de raios X comum seja "cega" para o arranjo dos spins, tornou-se possível usar uma forma especial de difração de raios X para estudar a estrutura magnética. Se for selecionado um comprimento de onda próximo a uma borda de absorção de um dos elementos contidos nos materiais, o espalhamento se torna anômalo e este componente do espalhamento é (um pouco) sensível à forma não esférica dos elétrons externos de um átomo com um rotação não emparelhada. Isso significa que este tipo de difração de raios-X anômala contém informações do tipo desejado.

Mais recentemente, estão sendo desenvolvidas técnicas de mesa que permitem o estudo de estruturas magnéticas sem recurso a fontes de nêutrons ou síncrotron.

Estrutura magnética dos elementos químicos

Apenas três elementos são ferromagnéticos à temperatura e pressão ambientes: ferro , cobalto e níquel . Isso ocorre porque sua temperatura Curie , Tc, é mais alta do que a temperatura ambiente (Tc> 298K). O gadolínio tem uma magnetização espontânea logo abaixo da temperatura ambiente (293 K) e às vezes é contado como o quarto elemento ferromagnético. Tem havido alguma sugestão de que o Gadolínio tem ordem helimagnética , mas outros defendem a visão de longa data de que o Gadolínio é um ferromagneto convencional.

Os elementos Disprósio e Érbio têm, cada um, duas transições magnéticas. Eles são paramagnéticos à temperatura ambiente, mas tornam-se helimagnéticos abaixo de suas respectivas temperaturas Néel e, em seguida, tornam-se ferromagnéticos abaixo de suas temperaturas curie. Os elementos Hólmio , Térbio e Túlio exibem estruturas magnéticas ainda mais complicadas.

Também há ordenação antiferromagnética, que fica desordenada acima da temperatura de Néel . O cromo é um pouco como um antiferroímã simples, mas também tem uma modulação de onda de densidade de spin incomensurável no topo da alternância de spin simples de cima para baixo. O manganês (na forma α-Mn) tem célula unitária de 29 átomos , levando a um complexo, mas comensurável arranjo antiferromagnético em baixas temperaturas ( grupo espacial magnético P 4 2'm '). Ao contrário da maioria dos elementos, que são magnéticos devido aos elétrons, a ordem magnética do cobre e da prata é dominada pelo momento magnético nuclear muito mais fraco (compare o magneto de Bohr e o magneto nuclear ) levando a temperaturas de transição próximas do zero absoluto .

Os elementos que se tornam supercondutores exibem superdiamagnetismo abaixo de uma temperatura crítica.

Referências