Antiferromagnetismo

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No modelo colinear mais simples, um antiferromagneto pode ser dividido em duas sub-redes magnéticas, A e B. Suas magnetizações, M A {\displaystyle \mathbf {M} _{A}} e M B {\displaystyle \mathbf {M} _{B}} , têm a mesma magnitude e sentidos opostos. A magnetização total é, portanto, A ordem antiferromagnética pode ser expressa pelo vetor de Néel, que permanece diferente de zero mesmo quando a magnetização total se anula. A ausência de magnetização macroscópica, portanto, não implica ausência de ordem magnética microscópica. Um cristal também pode conter domínios antiferromagnéticos nos quais o vetor de Néel assume diferentes orientações energeticamente equivalentes. Diferentes interações de troca microscópicas entre momentos magnéticos ou spins podem gerar estruturas antiferromagnéticas. As interações dipolares magnéticas, por si sós, geralmente são fracas demais para explicar as temperaturas em que aparece a ordem antiferromagnética em muitos sólidos. Nesses materiais, a interação de troca fornece o acoplamento dominante.

Quando não há campo magnético externo aplicado, uma estrutura antiferromagnética colinear e compensada apresenta magnetização total nula. Sob um campo externo, os momentos das sub-redes podem se inclinar ou alterar sua orientação e produzir uma magnetização líquida diferente de zero. Mesmo sem campo aplicado, a inclinação dos spins pode gerar uma pequena magnetização resultante em alguns materiais, como ocorre na hematita. A susceptibilidade magnética de um material antiferromagnético normalmente apresenta um máximo perto da temperatura de Néel. No modelo de duas sub-redes, a susceptibilidade de um monocristal ordenado também depende da orientação do campo em relação ao eixo antiferromagnético. A componente paralela diminui à medida que a temperatura cai abaixo da temperatura de Néel, enquanto a componente perpendicular varia muito menos. As duas coincidem na temperatura de transição. Em uma amostra policristalina ou multidomínio, a resposta medida combina diferentes orientações dos domínios.

Estruturas antiferromagnéticas foram demonstradas por difração de nêutrons em óxidos de metais de transição, entre eles óxidos de níquel, ferro e manganês. Os experimentos de Clifford Shull forneceram evidências diretas da organização dos momentos magnéticos em estruturas antiferromagnéticas. Materiais antiferromagnéticos são comuns entre compostos de metais de transição, sobretudo óxidos. Entre os exemplos estão a hematita, MnO, o óxido de níquel(II) (NiO), ligas de ferro e manganês como FeMn e o cromo. O cromo, porém, não segue o modelo simples de duas sub-redes com momentos localizados alternados. Abaixo de sua temperatura de Néel, sua estrutura magnética é uma onda de densidade de spin espacialmente modulada e incomensurável em grande parte do diagrama de fases. O acoplamento antiferromagnético também ocorre em aglomerados metálicos de alta nuclearidade. Complexos moleculares de cobre com 16 ou 21 centros metálicos, por exemplo, apresentam interações antiferromagnéticas entre parte ou todos os centros vizinhos. Moléculas orgânicas também podem apresentar acoplamento antiferromagnético em casos raros, como no radical 5-dehidro-m-xilileno.

Ao contrário do caso ferromagnético mais simples, interações antiferromagnéticas podem levar a mais de um estado fundamental, isto é, a diferentes configurações com a mesma energia mínima. Em uma dimensão, o estado fundamental de uma cadeia antiferromagnética simples é uma sequência alternada de spins, para cima, para baixo, para cima, para baixo e assim por diante. Em duas dimensões, a geometria da rede pode impedir que todas as interações sejam satisfeitas simultaneamente. Considere um triângulo equilátero com três spins, um em cada vértice. Se cada spin puder assumir apenas dois valores, para cima ou para baixo, haverá 23 = 8 estados possíveis para o sistema, dos quais seis são estados fundamentais. Os dois estados que não são fundamentais ocorrem quando os três spins apontam para cima ou quando os três apontam para baixo. Em cada um dos outros seis estados, haverá duas interações favoráveis e uma desfavorável. Nenhuma configuração consegue colocar os três pares de spins em orientações antiparalelas. Essa incompatibilidade é a frustração geométrica. Redes formadas por triângulos, entre elas a rede de kagome, podem apresentar esse comportamento.

Antiferromagnetos sintéticos, frequentemente abreviados como SAF, são estruturas artificiais formadas por duas ou mais camadas ferromagnéticas finas separadas por uma camada não magnética. O acoplamento entre as camadas ferromagnéticas produz um alinhamento antiparalelo de suas magnetizações. O antiferromagnetismo é usado em dispositivos de magnetorresistência gigante (GMR). O efeito foi descoberto em 1988 por equipes lideradas por Albert Fert e Peter Grünberg, que receberam o Prêmio Nobel de Física de 2007 pela descoberta. Nos dispositivos de GMR, antiferromagnetos podem ser usados como camadas de fixação. A configuração original com camadas de ferro separadas por cromo, quando a espessura do Cr é ajustada para produzir acoplamento antiferromagnético entre as camadas de Fe, também corresponde a um antiferromagneto sintético. A spintrônica antiferromagnética explora a ordem de Néel e o transporte de spin em materiais antiferromagnéticos. A orientação antiferromagnética pode ser detectada e, em certos sistemas, alterada por correntes elétricas. Entre os fenômenos estudados estão o movimento de paredes de domínio, a propagação de ondas de spin e o transporte de momento angular por excitações magnéticas.