Antiferromagnetismus

Hämatit ist Antiferromagnetisch

Der Antiferromagnetismus (Vorlage:ELSalt anti ‚gegen‘; lateinisch ferrum ‚Eisen‘; von Vorlage:ELSalt magnetis (lithos) ‚Stein aus Magnesien‘) ist ein kooperatives, magnetisches Phänomen, welches u. a. von Louis Néel eingehend untersucht wurde.

Magnetische Orientierungen ungeordneter antiferromagnetischer Kristallite

Überblick

Bei diesem Effekt sind die magnetischen Momente oder Spins der Atome mit einem konstanten, von Null verschiedenen Drehwinkel zueinander ausgerichtet und kompensieren sich exakt über den gesamten Kristall. Im einfachsten Fall ist dieser Drehwinkel 180°, so dass die Spins benachbarter Atome antiparallel zueinander stehen.

Beim bekannteren Ferromagnetismus sind die Spins dagegen parallel zueinander ausgerichtet, wodurch eine makroskopische Magnetisierung aufgebaut wird, während beim Antiferromagnetismus ohne ein angelegtes Magnetfeld die resultierende Magnetisierung Null ist. Beide Ordnungen sind nur bei hinreichend tiefen Temperaturen stabil. Beim Antiferromagnetismus zeigt die Permeabilität ein Maximum bei der Phasenübergangstemperatur, der Néel-Temperatur (benannt nach Louis Néel). Oberhalb der Néel-Temperatur, in der magnetisch ungeordneten Phase mit weitgehend beliebig orientierten Spins, ist das Verhalten des Materials paramagnetisch, und die Permeabilität nimmt mit steigender Temperatur ab.

Die antiferromagnetische Struktur lässt sich, genau wie andere magnetische Konfigurationen, insbesondere mit Hilfe einer Austauschwechselwirkung erklären. Abhängig von ihrem Vorzeichen kann man beispielsweise im Rahmen eines Ising-Modells mit Kopplungen, die sich auf Nachbarspins beschränken, leicht ferro- bzw. antiferromagnetische Anordnungen der magnetischen Momente beschreiben. Längerreichweitige oder konkurrierende Wechselwirkungen können zu komplizierteren magnetischen Strukturen führen (z. B. zu Spiralstrukturen).

Präzisierung

Der oben beschriebene Néel-Zustand (mit alternierenden Spinrichtungen $\uparrow ,\downarrow ,\uparrow ,\downarrow ,\dots$) ist genau genommen nicht der Grundzustand des Systems, sondern nur eine quasi-klassische Näherung dafür, die sich besonders gut zur Beschreibung der Anregungszustände, der sog. Spinwellen, eignet, während der genaue quantenmechanische Grundzustand, außer in speziellen Fällen, unbekannt ist, auf jeden Fall auch in den erwähnten Spezialfällen extrem kompliziert (z. B. Bethe-Ansatz). Dagegen ist im ferromagnetischen Fall der klassische Grundzustand (z. B. alle Spins nach oben $\uparrow ,\uparrow ,\uparrow ,\uparrow ,...$) auch im quantenmechanisch Formalismus exakt, und die Beschreibung der Anregungszustände (Spinwellen) entspricht im Falle des Ferromagnetismus fast völlig dem klassischen Bild präzedierender Vektoren.

Materialien

Antiferromagnetismus tritt bei vielen Übergangsmetallen und insbesondere deren Oxiden auf.

Folgende Werkstoffe bzw. Mineralien sind z.B. Antiferromagnetisch;

• Eisenverbindungen/Eisenerze
  • Wüstit
  • Goethit
  • Hämatit (Fe₂O₃)
  • Orthoferrit
    • Lanthan-Orthoferrit
    • Dysprosium-Orthoferrit
  • Troilit (FeS)
  • Ulvöspinell (Fe₂TiO₄)
  • FeMn
• Nickelverbindungen
  • Nickel(II)-oxid (NiO)
  • Nickeldisulfid (NiS₂)
• Elemente
  • Berkelium (Bk)
  • Mangan (Mn)
  • Chrom (Cr)
• Mangan(II)-oxid (MnO), Manganosit
• Cobalt(II)-oxid, (Cobaltoxit)
• Molybdän(III)-iodid

Einige wenige Organische Verbindungen sind auch antiferromagnetisch, z.B. 5-Dehydro-m-xylylene.

Siehe auch

• Magnetische Ordnung
• Ferromagnetismus
• Spindichtewelle
• Ferrimagnetismus
• ANNNI-Modell
• Spin-Glas

Fachliteratur

• Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4
• Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982 ISBN 3-446-13553-7
• Daniel Mattis: The theory of magnetism, zwei Bände, Berlin, Springer-Verlag, 1985 und 1988; ISBN 3540-10611-1 (es gibt auch eine ältere deutschsprachige Fassung)

Weblinks

• Erklärung zu Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus
• http://www.spektrum.de/lexikon/physik/antiferromagnetismus/609