Antiferromagnetism ja ferrimagnetism

Ainete magnetilised omadused jaotatakse põhimõtteliselt diamagnetsuseks, paramagnetsuseks ja ferromagnetsuseks. Sellega ei ole aga kõiki materjale täielikult iseloomustatud. Nimetatud omaduste kõrval esinevad ka antiferromagnetsus ja ferrimagnetsus (ferrimagnetsus ferromagnetsuse asemel).

Antiferromagnetsust ja ferrimagnetsust võib võrrelda üheainsa aine korral kahe erineva suunaga ferromagnetilise aine magnetiliste omaduste ülekattumisega. Räägitakse „kahest vastassuunaliselt polariseeritud ferromagnetilisest alakristallist“.

Näiteks mangaanioksiidis (MnO) on naaber-spinnid, mis on materjalides olevad elementaarsed magnetid, antiparalleelselt orienteerunud. Moodustub kaks omavahel paralleelsete spinnidega kihti, mis on vastupidise suunaga. See on tüüpiline antiferromagnetsus. Kahe erineva ferromagnetilise „alakristalli“ magnetilised omadused tühistavad teineteist täielikult.

Ferrimagnetsus on antiferromagnetsuse erijuht, kus ühe alakristalli magnetilised omadused on oluliselt nõrgemad kui teise alakristalli omadused (vt joonist). See ei pea tingimata tähendama, et alakristallid oleksid täpselt antiparalleelselt joondunud ja seega täielikult teineteist tühistaksid.

Ferrimagnetism ja antiferromagnetism muutuvad hõlpsasti mõistetavaks, kui on tuttav ferromagnetismi põhialustega.

Ferromagnetismi korral viib vahetusvastasmõju elektronispinide kaudu naaberatomite spinide paralleelse suunastatuse stabiliseerumiseni. See toob kaasa selle, et ferromagnet muutub ise magnetiliseks magnetvälja toimel. Seda nimetatakse magnetiseerituseks. Kui ferromagnet on täielikult magnetiseeritud, on kõik elektronispinid materjalis paralleelselt joondunud. Siis on ferromagnet ise maksimaalselt magnetiline.

Nn vahetusvastasmõju stabiliseerib ferromagnetis teatud aatomiliigi spinide paralleelse joondumise, näiteks raua aatomite puhul tahkes raudas.

Antiferromagnetilise aine omadused

Antiferromagnetilises aines stabiliseerub siiski vaid osa aatomispinidest omavahel paralleelse joondumise korral. Ülejäänud aatomid stabiliseeruvad vastassuunalises joondumises. Seda võib võrrelda sellega, et ferromagnetilises aines on elektronispinid Weiss’i piirkonna sees paralleelselt joondunud, kuid eri Weiss’i piirkondade vahel mitte paralleelselt. Erinevus on selles, et antiferromagnetismis kattuvad eri Weiss’i piirkonnad ja moodustavad nimetatud alavõred. Lihtsaimas juhusis on antiferromagnetis kaks erinevat alavõre täpselt antiparalleelselt joondunud.

Ferromagnet tugevdab välis-magnetvälja omaenda magnetiseerituse kaudu. Sageli tugevneb seejuures välis-magnetväli tuhandekordselt. Antiferromagneti korral see nii ei ole, sest antiparalleelsete alavõrede magnetilised momendid kompenseeruvad.

Ferrimagnetilise aine omadused

Ferrimagnetismis ei kompenseeru eri alavõrede magnetilised omadused täielikult. Seetõttu käituvad ferrimagnetid nagu nõrgemad ferromagnetid.

Ferromagnetite Curie temperatuur kirjeldab temperatuuri, millest alates muutub ferromagnet paramagnetiliseks. Spinide joondumine hävib üle selle temperatuuri (T) soojusliikumise tõttu. Üle Curie temperatuuri T_C kehtib selle aine magnetilise vastuvõtlikkuse χ jaoks lihtne lähendusvalem:

\(χ = \frac{C}{T-T_C}\)
C on nn Curie konstant, mis on iga ferromagnetilise aine puhul erinev.

Ka antiferromagnetitel on iseloomulik temperatuur, millest kõrgemal muutub antiferromagnet paramagnetiliseks.

Selleks on Neeli temperatuur. Üle Neeli temperatuuri T_N hinnatakse vastuvõtlikkust valemiga

\(χ = \frac{N}{T_N+T}\)
milles N on Neeli konstant.