Ferromagnetismo

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El ferromagnetismo  es la aparición de magnetización espontánea a una temperatura inferior a la temperatura de Curie [1] debido a la ordenación de los momentos magnéticos, en los que la mayoría de ellos son paralelos entre sí. Este es el principal mecanismo por el cual ciertos materiales (como el hierro ) forman imanes permanentes o son atraídos por los imanes . Las sustancias en las que se produce un ordenamiento ferromagnético de los momentos magnéticos se denominan ferromagnetos [2] .

En física , se acostumbra distinguir entre varios tipos de magnetismo . El ferromagnetismo (junto con el efecto similar del ferrimagnetismo ) es el tipo de magnetismo más fuerte y es responsable del fenómeno físico del magnetismo en los imanes que se encuentran en la vida cotidiana . [3] Las sustancias con los otros tres tipos de magnetismo ( paramagnetismo , diamagnetismo y antiferromagnetismo ) reaccionan más débilmente a los campos magnéticos, pero las fuerzas suelen ser tan débiles que solo pueden detectarse con instrumentos sensibles en el laboratorio.

Un ejemplo cotidiano de ferromagnetismo es un imán de nevera , que se utiliza para dejar notas en la puerta de la nevera. La atracción entre un imán y un material ferromagnético es una cualidad del magnetismo que se ha observado desde la antigüedad. [cuatro]

Los imanes permanentes, creados a partir de materiales que pueden ser magnetizados por un campo magnético externo y permanecen magnetizados después de que se elimina el campo externo, están hechos de sustancias ferromagnéticas o ferrimagnéticas, al igual que los materiales atraídos por ellos. Solo unas pocas sustancias químicamente puras tienen propiedades ferromagnéticas. Los más comunes son el hierro , el cobalto , el níquel y el gadolinio . La mayoría de sus aleaciones, así como algunos compuestos de metales de tierras raras , exhiben ferromagnetismo. El ferromagnetismo es muy importante en la industria y la tecnología moderna y es la base de muchos dispositivos eléctricos y electromecánicos como electroimanes , motores eléctricos , generadores , transformadores y dispositivos de almacenamiento magnético, grabadoras y discos duros , así como para pruebas no destructivas de materiales ferrosos . rieles.

Los materiales ferromagnéticos se pueden dividir en materiales magnéticos blandos , como el hierro recocido , que se puede magnetizar pero no tiende a permanecer magnetizado, y materiales magnéticos duros , que conservan la remanencia. Los imanes permanentes están hechos de materiales ferromagnéticos "duros" como el álnico y materiales ferrimagnéticos como la ferrita , que se someten a un procesamiento especial de alto campo magnético durante la fabricación para alinear su estructura microcristalina interna , lo que dificulta su desmagnetización. Para desmagnetizar un "imán saturado", es necesario aplicar un determinado campo magnético, que depende de la fuerza coercitiva del material. Los materiales "duros" tienen una fuerza coercitiva alta, mientras que los materiales "blandos" tienen una fuerza coercitiva baja. La fuerza total de un imán se mide por su momento magnético o, alternativamente, por el flujo magnético total que genera. La fuerza local del magnetismo en un material se caracteriza por su magnetización .

Historia y diferencia del ferrimagnetismo

Históricamente, el término ferromagnetismo se ha utilizado para cualquier material que pudiera exhibir una magnetización espontánea : es decir, un momento magnético neto en ausencia de un campo magnético externo, cualquier material que pueda convertirse en un imán . Esta definición general todavía se usa ampliamente en la actualidad. [5]

Sin embargo, en un artículo histórico de 1948, Louis Néel demostró que hay dos niveles de ordenamiento magnético que conducen a este comportamiento. Uno de ellos es el ferromagnetismo en el sentido estricto de la palabra, cuando todos los momentos magnéticos están alineados, apuntando en la misma dirección. El otro es el ferrimagnetismo , en el que algunos momentos magnéticos apuntan en dirección opuesta, pero tienen una contribución menor, por lo que aún existe magnetización espontánea. [6] [7] :28–29

En el caso particular en que los momentos opuestos se equilibran completamente entre sí, la alineación se conoce como antiferromagnetismo . En consecuencia, los antiferromagnetos no poseen magnetización espontánea.

Materiales ferromagnéticos

Temperaturas de Curie para algunos ferroimanes cristalinos [8] [9]
Material Temperatura de Curie (K)
co 1388
Fe 1043
Fe 2 O 3 * 948
FeOFe 2 O 3 * 858
NiOFe2O3 * _ _ _ 858
Cu OFe 2 O 3 * 728
MgOFe2O3 * _ _ _ 713
Mn Bi 630
Ni 627
Nd 2 Fe 14 B 593
MnSb_ _ 587
MnOFe 2 O 3 * 573
Y 3 Fe 5 O 12 * 560
cro2_ _ 386
Mn como 318
Di-s 292
Tuberculosis 219
dy 88
UE O 69
* Material ferrimagnético

El ferromagnetismo es una propiedad inusual que solo aparece en algunas sustancias. Los metales de transición más comunes son el hierro , el níquel , el cobalto y sus aleaciones, así como las aleaciones de metales de tierras raras . Esta propiedad no es solo la composición química del material, sino también su estructura cristalina y microestructura. Hay aleaciones de metales ferromagnéticos cuyos componentes no son ferromagnéticos en sí mismos. Estas aleaciones se denominan aleaciones de Geisler (en honor a Fritz Geisler). Por el contrario, existen aleaciones no magnéticas como el acero inoxidable , que están compuestas casi exclusivamente por metales ferromagnéticos.

Las aleaciones de metales ferromagnéticos amorfas (no cristalinas) se pueden obtener mediante un enfriamiento rápido ( enfriamiento) de la aleación líquida. Su ventaja es que sus propiedades son casi isotrópicas (independientes de la dirección); esto da como resultado una fuerza coercitiva baja, una pérdida por histéresis baja, una permeabilidad magnética alta y una resistividad eléctrica alta. Uno de estos materiales típicos es una aleación que consta de un metal de transición y metaloides. Por ejemplo, a partir de un 80 % de metal de transición (normalmente Fe, Co o Ni) y un 20 % de componente metaloide ( B , C , Si , P o Al ), lo que reduce el punto de fusión.

Los imanes de tierras raras  son una clase relativamente nueva de materiales ferromagnéticos extremadamente fuertes. Contienen lantánidos , que son conocidos por su capacidad para transportar grandes momentos magnéticos en orbitales f altamente localizados.

La tabla enumera los compuestos ferromagnéticos y ferrimagnéticos, así como la temperatura de Curie por encima de la cual dejan de exhibir magnetización espontánea.

Materiales inusuales

La mayoría de los materiales ferromagnéticos son metales, ya que los electrones de conducción suelen ser responsables de las interacciones ferromagnéticas. Por lo tanto, el desarrollo de aisladores ferromagnéticos, especialmente materiales multiferroicos que exhiben propiedades tanto ferromagnéticas como ferroeléctricas, es una tarea desafiante. [diez]

Varios compuestos de actínidos son ferromagnéticos a temperatura ambiente o exhiben ferromagnetismo al enfriarse. PuP es un paramagneto con una red cristalina cúbica a temperatura ambiente , pero que sufre una transición estructural a una fase tetragonal de orden ferromagnético cuando se enfría por debajo de su T C  = 125 K. En el estado ferromagnético, el eje de fácil magnetización de PuP está orientado en el <100> dirección. [once]

En Np Fe 2 el eje fácil es <111>. [12] Por encima de T C ≈ 500 K , NpFe 2 también es paramagnético y tiene una estructura cristalina cúbica. El enfriamiento por debajo de la temperatura de Curie da como resultado una deformación romboédrica, en la que el ángulo romboédrico cambia de 60° (fase cúbica) a 60,53°. En otro lenguaje, esta distorsión se puede representar considerando las longitudes c a lo largo de un solo eje trigonal (después del comienzo de la distorsión) y a como la distancia en el plano perpendicular a c . En la fase cúbica, esto se reduce a c/a=1. A temperaturas por debajo de Tc

Esta es la mayor deformación entre todos los compuestos actínidos . [13] NpNi 2 sufre una distorsión reticular similar por debajo de T C = 32 K con una tensión de (43 ± 5) × 10 −4 . NpCo 2 resulta ser ferrimagnético por debajo de 15 K.

En 2009, un equipo de físicos del MIT demostró que el gas de litio enfriado a menos de un kelvin puede presentar ferromagnetismo. [14] Un equipo de investigadores enfrió el litio-6 fermiónico a menos de 150 nK (150 milmillonésimas de kelvin) usando enfriamiento por láser infrarrojo . Esta es la primera demostración de ferromagnetismo en un gas.

En 2018, un equipo de físicos de la Universidad de Minnesota demostró que el rutenio tetragonal centrado en el cuerpo es ferromagnético a temperatura ambiente. [quince]

Ferromagnetismo inducido por un campo eléctrico

Investigaciones recientes han demostrado que el ferromagnetismo puede ser inducido en ciertos materiales por corriente eléctrica o voltaje. El LaMnO3 antiferromagnético y el SrCoO se cambian al estado ferromagnético por la corriente. En julio de 2020, los científicos informaron de la creación de ferromagnetismo en un material diamagnético generalizado, la pirita , mediante la aplicación de voltaje. [16] [17] En estos experimentos, el ferromagnetismo se limitó a una fina capa superficial.

Explicación

El teorema de Bohr-Van Leeuwen , probado en la década de 1910, estableció que las teorías de la física clásica son incapaces de explicar cualquier forma de magnetismo, incluido el ferromagnetismo. El magnetismo ahora se ve como un efecto puramente mecánico cuántico . El ferromagnetismo surge de dos efectos de la mecánica cuántica: el espín y el principio de exclusión de Pauli .

Origen del magnetismo

Una de las propiedades fundamentales de un electrón (además de que lleva carga) es que tiene un momento dipolar magnético , es decir, se comporta como un diminuto imán, creando un campo magnético . Este momento dipolar surge de una propiedad más fundamental del electrón, su espín . Debido a su naturaleza cuántica, el espín de un electrón puede estar en uno de dos estados; con el campo magnético apuntando hacia "arriba" o "abajo" (para cualquier elección de direcciones hacia arriba y hacia abajo). El espín de los electrones en los átomos es la principal fuente de ferromagnetismo, aunque existe una contribución del momento angular orbital del electrón en relación con el núcleo atómico . Cuando estos dipolos magnéticos en una pieza de materia están alineados (sus giros apuntan en la misma dirección), sus campos magnéticos individuales se suman para crear un campo macroscópico mucho más grande.

Sin embargo, los materiales compuestos por átomos con capas de electrones llenas tienen un momento dipolar magnético total igual a cero: ya que todos los electrones están en pares con espines opuestos. Luego, el momento magnético de cada electrón se compensa con el momento opuesto del segundo electrón del par. Solo los átomos con capas parcialmente llenas (es decir, espines desapareados) pueden tener un momento magnético neto, por lo que el ferromagnetismo solo ocurre en materiales con capas parcialmente llenas. De acuerdo con las reglas de Hund , los primeros electrones en la capa predominantemente tienen los mismos espines, lo que aumenta el momento dipolar magnético general.

Estos electrones desapareados (a menudo denominados simplemente "espines", aunque también suelen incluir el momento angular orbital) tienden a alinearse en paralelo al campo magnético externo, un efecto llamado paramagnetismo . Sin embargo, el ferromagnetismo implica un fenómeno adicional: en algunas sustancias, los dipolos magnéticos tienden a alinearse espontáneamente con la dirección de un campo magnético externo, provocando el fenómeno de magnetización espontánea incluso en ausencia de un campo magnético aplicado.

Intercambio de interacción

Cuando dos átomos vecinos tienen electrones desapareados, la orientación de sus espines (paralelos o antiparalelos) afecta si estos electrones pueden ocupar el mismo orbital como resultado de una interacción de intercambio . Esto, a su vez, afecta la disposición de los electrones y la interacción de Coulomb y, por lo tanto, la diferencia de energía entre estos estados.

La interacción de intercambio está relacionada con el principio de exclusión de Pauli, según el cual dos electrones con el mismo espín no pueden estar en el mismo estado cuántico. Esta es una consecuencia del teorema de la estadística de espín y de que los electrones son fermiones . Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, cuando los orbitales de los electrones de valencia externos no apareados de los átomos vecinos se superponen, las cargas eléctricas en el espacio están más separadas cuando los electrones tienen espines paralelos que cuando tienen espines en direcciones opuestas. Esto reduce la energía electrostática de los electrones cuando los giros son paralelos en comparación con su energía cuando los giros son antiparalelos, por lo que el estado de giro paralelo es más estable. Esta diferencia de energía se llama energía de intercambio .

La energía de intercambio puede ser varios órdenes de magnitud mayor que la diferencia de energía asociada con la interacción dipolo-dipolo magnético debido a la orientación del dipolo [18] , por lo que los dipolos magnéticos se alinean en forma antiparalela. Se ha demostrado que en algunos óxidos semiconductores dopados, la interacción de intercambio RKKY induce interacciones magnéticas periódicas de largo alcance, lo cual es importante en el estudio de materiales para la espintrónica . [19]

Los materiales en los que la interacción de intercambio es mucho más fuerte que la interacción dipolo-dipolo magnético competidor a menudo se denominan materiales magnéticos . Por ejemplo, en el hierro (Fe) la fuerza de la interacción de intercambio es unas 1000 veces mayor que la interacción del dipolo magnético. Por lo tanto, por debajo de la temperatura de Curie, prácticamente todos los dipolos magnéticos en un material ferromagnético se alinearán. Además del ferromagnetismo, la interacción de intercambio también es responsable de otros tipos de ordenamientos espontáneos de los momentos magnéticos atómicos que se dan en los sólidos con propiedades magnéticas: el antiferromagnetismo y el ferrimagnetismo . Existen diferentes mecanismos de interacción de intercambio que crean magnetismo en varios ferromagnetos, ferrimagnetos y antiferromagnetos. Estos mecanismos incluyen interacción de intercambio , interacción RKKY , intercambio doble e interacción de superintercambio.

Anisotropía magnética

Aunque la interacción de intercambio mantiene los espines alineados, no los alinea en una dirección particular. Sin anisotropía magnética (como un material compuesto de nanopartículas magnéticas), los giros en un imán cambian de dirección aleatoriamente debido a las fluctuaciones térmicas y el imán se vuelve superparamagnético . Hay varios tipos de anisotropía magnética, la más común de las cuales está relacionada con la estructura cristalina magnética. Lo que se manifiesta en la dependencia de la energía de la dirección de magnetización relativa a los ejes principales de la red cristalográfica . Otra fuente común de anisotropía es la magnetoestricción inversa , que es causada por tensiones internas . Los imanes de un solo dominio también pueden exhibir anisotropía de forma debido a los efectos magnetostáticos que dependen de la forma de las partículas. A medida que aumenta la temperatura del imán, la anisotropía tiende a disminuir y, a menudo, se produce una temperatura de bloqueo en la que se produce una transición al superparamagnetismo. [veinte]

Dominios magnéticos

Lo anterior parecería sugerir que cada volumen de material ferromagnético debe tener un fuerte campo magnético, ya que todos los espines están alineados, pero el hierro y otros ferromagnetos a menudo se encuentran en un estado "no magnético". La razón de esto es que una pieza masiva de material ferromagnético se divide en pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos [21] (también conocidos como dominios de Weiss ). Dentro de cada una de esas regiones, los espines están codirigidos, pero (si el material a granel está en la configuración de energía más baja, es decir, no magnetizado ), los espines de los dominios individuales apuntan en diferentes direcciones y sus campos magnéticos se anulan entre sí. , por lo que el cuerpo no tiene un gran campo magnético.

Los materiales ferromagnéticos se descomponen espontáneamente en dominios magnéticos porque la interacción de intercambio es una fuerza de corto alcance, por lo que, a grandes distancias, muchos átomos intentan reducir su energía orientándose en direcciones opuestas. Si todos los dipolos en una pieza de material ferromagnético están alineados en paralelo, esto crea un gran campo magnético que se propaga en el espacio que lo rodea. Contiene mucha energía magnetostática . El material puede reducir esta energía al dividirse en muchos dominios que apuntan en diferentes direcciones, por lo que el campo magnético se limita a pequeños campos locales en el material, reduciendo así el volumen ocupado por el campo. Los dominios están separados por paredes de dominio delgadas de unos pocos átomos de espesor, en las que la dirección de magnetización del dipolo gira suavemente desde la dirección de un dominio a la dirección de otro.

Materiales magnetizados

Por lo tanto, una pieza de hierro en su estado de energía más bajo ("no magnético") generalmente tiene poco o ningún campo magnético. Sin embargo, los dominios magnéticos en un material no son estáticos; son simplemente regiones donde los espines de los electrones se alinean espontáneamente debido a sus campos magnéticos y, por lo tanto, se puede cambiar su tamaño aplicando un campo magnético externo. Si se aplica al material un campo magnético externo suficientemente fuerte, las paredes del dominio se moverán. El proceso de movimiento va acompañado de la rotación de los espines de los electrones en las paredes del dominio, girando bajo la influencia de un campo externo, de modo que los espines de los dominios vecinos están codirigidos, reorientando así los dominios para que más dipolos se alineen con el externo. campo. Los dominios permanecerán alineados cuando se elimine el campo externo, creando un campo magnético propio que se propaga en el espacio alrededor del material, formando así un imán "permanente". Los dominios no vuelven a su configuración de energía mínima original cuando se elimina el campo porque las paredes del dominio tienden a "clavarse" o "enredarse" con defectos de red mientras mantienen su orientación paralela. Esto se demuestra mediante el efecto Barkhausen  : a medida que cambia el campo magnético, la magnetización cambia en miles de pequeños saltos intermitentes a medida que las paredes del dominio pasan repentinamente por los defectos.

La magnetización en función del campo externo se describe mediante una curva de histéresis . Aunque el estado de dominios alineados que se encuentra en una pieza de material ferromagnético magnetizado no tiene un mínimo de energía, es decir, es metaestable y puede persistir por largos periodos de tiempo. Como muestran las muestras de magnetita del fondo del mar, que han conservado su magnetización durante millones de años.

Calentar y luego enfriar ( recocer ) un material magnetizado, forjarlo con golpes de martillo o aplicar un campo magnético que oscila rápidamente desde una bobina de desmagnetización libera las paredes del dominio de su estado fijo y los límites del dominio tienden a volver a una configuración con menos energía y menos campo magnético externo, desmagnetizando así el material.

Los imanes industriales están hechos de materiales ferromagnéticos o ferrimagnéticos "duros" con una anisotropía magnética muy alta, como el álnico y las ferritas , que tienen una magnetización muy fuerte a lo largo de un eje del cristal, el "eje fácil". Durante la producción, los materiales se someten a varios procesos metalúrgicos en un poderoso campo magnético que alinea los granos de cristal para que sus ejes de magnetización "ligeros" estén orientados en la misma dirección. Por lo tanto, la magnetización y el campo magnético resultante están "integrados" en la estructura cristalina del material, lo que dificulta mucho la desmagnetización.

Temperatura de Curie

A medida que aumenta la temperatura, el movimiento térmico o la entropía compite con el ordenamiento ferromagnético. Cuando la temperatura sube por encima de cierto punto, llamado temperatura de Curie , se produce una transición de fase de segundo orden y el sistema ya no puede sostener la magnetización espontánea, por lo que su capacidad para ser magnetizado o atraído por un imán desaparece, aunque todavía responde como un imán. paramagnet a un campo magnético externo. Por debajo de esta temperatura, se produce una ruptura espontánea de la simetría y los momentos magnéticos se alinean con sus vecinos. La temperatura de Curie es el punto crítico donde diverge la susceptibilidad magnética y, aunque no hay magnetización neta, las correlaciones de espín del dominio fluctúan en todas las escalas espaciales.

El estudio de las transiciones de fase ferromagnéticas, especialmente con la ayuda del modelo de Ising simplificado , ha tenido un impacto importante en el desarrollo de la física estadística. Allí, se demostró por primera vez que los enfoques de la teoría del campo medio no podían predecir el comportamiento correcto en el punto crítico (que se encontró que caía en la clase de universalidad , incluidos muchos otros sistemas como las transiciones líquido-gas), y tuvo que ser reemplazado por la teoría de grupos de renormalización. 

Notas

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Literatura

 Estados magnéticos