Antiferromagnetismo y ferrimagnetismo

Las propiedades magnéticas de la materia se clasifican básicamente en diamagnetismo, paramagnetismo y ferromagnetismo. Sin embargo, esto no caracteriza completamente a todos los materiales. Además de las propiedades mencionadas, también existen el antiferromagnetismo y el ferrimagnetismo (ferrimagnetismo en lugar de ferromagnetismo).

El antiferromagnetismo y el ferrimagnetismo son comparables con la superposición de las propiedades magnéticas de dos materiales ferromagnéticos con orientaciones diferentes en un único material. Se habla de «dos subredes ferromagnéticas de polarización opuesta».

P. ej., en el óxido de manganeso (MnO) los espines cercanos, los imanes elementales de los materiales, están alineados de forma antiparalela. Se forman dos planos de espines paralelos orientados en direcciones opuestas. Se trata del típico antiferromagnetismo. Las propiedades magnéticas de dos «subredes» ferromagnéticas diferentes se neutralizan completamente.

El ferrimagnetismo es un antiferromagnetismo en el que las propiedades magnéticas de una subred son considerablemente más débiles que las de la otra subred (véase la figura). No tiene por qué darse el caso de que las subredes estén alineadas exactamente de forma antiparalela y, por tanto, se neutralicen completamente entre sí.

El ferromagnetismo y el antiferromagnetismo son fáciles de entender si se conocen los fundamentos del ferromagnetismo.

En el ferromagnetismo, la interacción de intercambio de los espines de los electrones conduce a una estabilización de la alineación paralela de los espines próximos de los átomos. Esto lleva a que un ferromagneto se vuelva magnético en un campo magnético y se conoce como magnetización. Si un ferromagneto está completamente magnetizado, todos los espines de los electrones del material se alinean en paralelo. El propio ferromagneto es entonces magnético al máximo.

La llamada interacción de intercambio estabiliza la alineación paralela de los espines de un determinado tipo de átomo en un ferromagneto, p. ej., los átomos de hierro en el hierro sólido.

Propiedades del material antiferromagnético

Sin embargo, en un material antiferromagnético solo algunos de los espines atómicos se estabilizan entre sí en la alineación paralela. Los átomos restantes se estabilizan en una alineación opuesta. Esto se puede comparar con el hecho de que, en un material ferromagnético, los espines de los electrones se alinean en paralelo en un dominio de Weiss, pero no son paralelos entre diferentes dominios de Weiss. La única diferencia es que en el antiferromagnetismo los distintos dominios de Weiss se solapan y forman las ya mencionadas subredes. En el caso más sencillo, dos subredes diferentes se alinean de manera antiparalela en el antiferromagneto.

Un ferromagneto refuerza un campo magnético externo a través de su propia magnetización. Así se suele amplificar el campo magnético externo en un factor de mil. Esto no ocurre con los antiferromagnetos, ya que los momentos magnéticos de las subredes antiparalelas se compensan.

Propiedades del material ferrimagnético

En el ferrimagnetismo, las propiedades magnéticas de las distintas subredes no se compensan completamente. Así pues, los ferrimagnetos se comportan como ferromagnetos más débiles.

La temperatura de Curie de los ferromagnetos describe la temperatura a la que un ferromagneto se vuelve paramagnético. Por encima de esta temperatura (T), la alineación de los espines se destruye por el movimiento térmico. Por encima de la temperatura de Curie T_C, existe una fórmula de aproximación simple para la susceptibilidad magnética χ de este material, a saber:

\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\)
C es la constante de Curie, que es diferente para cada material ferromagnético.

Para los antiferromagnetos también existe una temperatura característica por encima de la cual un antiferromagneto se vuelve paramagnético.

Se trata de la temperatura de Neel. Por encima de la temperatura de Neel T_N, la susceptibilidad se calcula conforme a la fórmula

\(\chi = \frac{N}{T_N+T}\)
con la constante de Neel N.