Antiferromagnetisme en ferrimagnetisme

De magnetische eigenschappen van de materie worden in principe onderverdeeld in diamagnetisme, paramagnetisme en ferromagnetisme. Daarmee zijn echter niet alle materialen volledig gekarakteriseerd. Naast de genoemde eigenschappen bestaan er ook nog het antiferromagnetisme en het ferrimagnetisme (ferrimagnetisme i.p.v. ferromagnetisme).

Antiferromagnetisme en ferrimagnetisme zijn vergelijkbaar met de combinatie van de magnetische eigenschappen van twee ferromagnetische stoffen met verschillende uitlijning in een enkele stof. Men spreekt over "twee tegengestelde gepolariseerde ferromagnetische subroosters".

In mangaanoxide (MnO) bijvoorbeeld zijn naast elkaar liggende spins, de elementaire magneten in materialen, antiparallel uitgelijnd. Twee niveaus van met elkaar parallele spins worden gevormd, die tegenovergesteld zijn. Dit is typisch antiferromagnetisme. De magnetische eigenschappen van twee verschillende ferromagnetische ferromagnetischen "subroosters" heffen elkaar volledig op.

Het ferrimagnetisme is een antiferromagnetisme, waarbij de magnetische eigenschappen van het ene subrooster beduidend zwakker zijn dan van het andere onderrooster (zie afbeelding). Het hoeft hierbij niet perse zo te zijn, dat de beide roosters precies antiparallel zijn uitgericht en elkaar vervolgens volledig opheffen.

Ferrimagnetisme en antiferromagnetisme worden eenvoudig te begrijpen, wanneer men de basisprincipes van het ferromagnetisme kent.

Bij het ferromagnetisme ontstaat via de uitwisselingsinteractie van de elektronenspins een stabilisering van de parallelle uitlijning van naburige spins van de atomen. Dit leidt ertoe, dat een ferromagneet Magnetfeld zelf magnetisch wordt. Men noemt dit dan magnetisatie. Wanneer een ferromagneet volledig gemagnetiseerd is zijn alle elektronenspins in het materiaal parallel uitgelijnd. De ferromagneet is dan zelf maximaall magnetisch.

De zogenaamde uitwisselingsinteractie stabiliseert in een ferromagneet de parallelle uitrichting van de spins van een bepaalde atoomsoort, bijvoorbeeld van de ijzeratomen in vast ijzer.

Eigenschappen van antiferromagnetische stof

In een antiferromagnetische stof stabiliseren echter bij de parallelle uitlijning slechts een deel van de atomaire spins elkaar. De overige atomen stabiliseren zich in een tegengestelde uitlijning. Dit is te vergelijken met de situatie, dat in een ferromagnetische stof de elektronenspins in een gebied van Weiss parallel zijn uitgelijnd, ze tussen de verschillende gebieden van Weiss echter niet parallel zijn. Alleen dat bij antiferromagnetisme de verschillende gebieden van Weiss elkaar overlappen en de genoemde subroosters vormen. In het eenvoudigste geval zijn in de antiferromagneeet twee verschillende subroosters precies antiparallel uitgelijnd.

Een ferromagneet versterkt een extern magneetveld door de eigen magnetisatie. Vaak wordt daardoor het externe magneetveld duizendvoudig versterkt. Bij de antiferromagneet is dat niet het geval, omdat de magnetische momenten van de antiparallelle roosters elkaar compenseren.

Eigenschappen van ferrimagnetische stof

Bij het ferrimagnetisme heffen de magnetische eigenschappen van de verschillende subroosters elkaar niet volledig op. Ferrimagneten gedragen zich daarom als zwakkerre ferromagneten.

De curietemperatuur van de ferromagneten beschrijft, vanaf welke temperatuur een ferromagneet paramagnetisch wordt. De uitlijning van de spins wordt boven deze temperatuur (T) door de warmtebeweging vernietigd. Boven de curietemperatuur T_C is er een eenvoudige benaderingsformule voor de magnetische susceptibiliteit χ van deze stof, namelijk:

\(\chi = \frac{C}{T-T_C}\)
C is hierbij de zogenaamde curieconstante, die voor elke ferromagnetische stof anders is.

De antiferromagneten hebben eveneens een karakteristieke temperatuur, waarboven een antiferromagneet paramagnetisch wordt.

Dit is de néeltemperatuur. Boven de néeltemperatuur T_N wordt de susceptibiliteit naar de formule

\(\chi = \frac{N}{T_N+T}\)
met de néelconstante N geschat.