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Ferromagnetismo

Un imán hecho de alnico , una aleación de hierro ferromagnética, con su soporte. Paramagnetismo, ferromagnetismo y ondas de espín El ferromagnetismo es una propiedad de ciertos ...

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Un imán hecho de alnico , una aleación de hierro ferromagnética, con su soporte.
Paramagnetismo, ferromagnetismo y ondas de espín

El ferromagnetismo es una propiedad de ciertos materiales (como el hierro ) que produce una permeabilidad magnética significativa y observable , y en muchos casos, una coercitividad magnética significativa , lo que permite que el material forme un imán permanente . Los materiales ferromagnéticos son atraídos notablemente por un imán, lo cual es consecuencia de su considerable permeabilidad magnética.

La permeabilidad magnética describe la magnetización inducida en un material debido a la presencia de un campo magnético externo. Por ejemplo, esta magnetización temporal en el interior de una placa de acero explica su atracción hacia un imán. Que dicha placa de acero adquiera o no magnetización permanente depende tanto de la intensidad del campo aplicado como de la coercitividad de esa pieza de acero en particular (que varía según la composición química del acero y cualquier tratamiento térmico al que haya sido sometida).

En física , se han distinguido varios tipos de magnetismo de materiales. El ferromagnetismo (junto con el ferrimagnetismo, de efecto similar ) es el tipo más fuerte y es responsable del fenómeno común del magnetismo cotidiano. [ 1 ] Un ejemplo común de imán permanente es el imán de un refrigerador . [ 2 ] Las sustancias responden débilmente a los campos magnéticos mediante otros tres tipos de magnetismo: paramagnetismo , diamagnetismo y antiferromagnetismo ; sin embargo, las fuerzas suelen ser tan débiles que solo pueden detectarse con instrumentos de laboratorio.

Los imanes permanentes (materiales que pueden magnetizarse mediante un campo magnético externo y permanecen magnetizados una vez que se elimina dicho campo) son ferromagnéticos o ferrimagnéticos, al igual que los materiales que son fuertemente atraídos por ellos. Son relativamente pocos los materiales ferromagnéticos; los más comunes son los metales hierro , cobalto , níquel y la mayoría de sus aleaciones , así como ciertos metales de tierras raras .

Ferromagnetism is widely used in industrial applications and modern technology, in electromagnetic and electromechanical devices such as electromagnets, electric motors, generators, transformers, magnetic storage (including tape recorders and hard disks), and nondestructive testing of ferrous materials.

Ferromagnetic materials can be divided into magnetically "soft" materials (like annealediron) having low coercivity, which do not tend to stay magnetized, and magnetically "hard" materials having high coercivity, which do. Permanent magnets are made from hard ferromagnetic materials (such as alnico) and ferrimagnetic materials (such as ferrite) that are subjected to special processing in a strong magnetic field during manufacturing to align their internal microcrystalline structure, making them difficult to demagnetize. To demagnetize a saturated magnet, a magnetic field must be applied. The threshold at which demagnetization occurs depends on the coercivity of the material. The overall strength of a magnet is measured by its magnetic moment or, alternatively, its total magnetic flux. The local strength of magnetism in a material is measured by its magnetization.

Terms

Ferromagnetic material: all the molecular magnetic dipoles are pointed in the same direction
Ferrimagnetic material: some of the dipoles point in the opposite direction, but their smaller contribution is overcome by the others

Historically, the term ferromagnetism was used for any material that could exhibit spontaneous magnetization: a net magnetic moment in the absence of an external magnetic field; that is, any material that could become a magnet. This definition is still in common use.[3]

In a landmark paper in 1948, Louis Néel showed that spontaneous magnetization can arise from two distinct types of magnetic ordering. In ferromagnetism in the strict sense, magnetic moments align parallel to one another. In ferrimagnetism, magnetic moments are arranged in two antiparallel sublattices with different magnitudes, resulting in a net magnetization.[4][5]:28–29 When the opposing moments are equal in magnitude and cancel completely, the alignment is known as antiferromagnetism; such materials do not exhibit spontaneous magnetization.

Materials

El ferromagnetismo es una propiedad inusual que se presenta solo en unas pocas sustancias. Las más comunes son los metales de transición hierro , níquel y cobalto , así como sus aleaciones y las de metales de tierras raras . Es una propiedad que no solo depende de la composición química del material, sino también de su estructura cristalina y microestructura. El ferromagnetismo se debe a que estos materiales poseen muchos electrones desapareados en su bloque d (en el caso del hierro y sus derivados) o en el bloque f (en el caso de los metales de tierras raras), como resultado de la regla de máxima multiplicidad de Hund . Existen aleaciones metálicas ferromagnéticas cuyos componentes no son ferromagnéticos, llamadas aleaciones de Heusler , en honor a Fritz Heusler . Por el contrario, existen aleaciones no magnéticas, como ciertos tipos de acero inoxidable , compuestas casi exclusivamente de metales ferromagnéticos.

Las aleaciones metálicas ferromagnéticas amorfas (no cristalinas) a veces se denominan asperomagnetos. Estos se pueden fabricar mediante un enfriamiento muy rápido de una aleación. Tienen la ventaja de que sus propiedades son casi isotrópicas (no están alineadas a lo largo de un eje cristalino); esto resulta en una baja coercitividad , baja pérdida por histéresis , alta permeabilidad y alta resistividad eléctrica. Un ejemplo típico de este material es una aleación de metal de transición- metaloide , compuesta por aproximadamente un 80 % de metal de transición (generalmente Fe, Co o Ni) y un componente metaloide ( B , C , Si , P o Al ) que reduce el punto de fusión .

Una clase relativamente nueva de materiales ferromagnéticos excepcionalmente fuertes son los imanes de tierras raras . Contienen elementos lantánidos que son conocidos por su capacidad de transportar grandes momentos magnéticos en orbitales f bien localizados .

La tabla enumera una selección de compuestos ferromagnéticos y ferrimagnéticos, junto con su temperatura de Curie ( T C ), 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 los responsables de mediar las interacciones ferromagnéticas. Por lo tanto, resulta un desafío desarrollar aislantes ferromagnéticos, especialmente materiales multiferroicos , que sean a la vez ferromagnéticos y ferroeléctricos . [ 8 ]

Varios compuestos de actínidos son ferromagnéticos a temperatura ambiente o exhiben ferromagnetismo al enfriarse. El PuP es un paramagneto con simetría cúbica a temperatura ambiente , pero experimenta una transición estructural a un estado tetragonal con orden ferromagnético cuando se enfría por debajo de su T C  = 125 K. En su estado ferromagnético, el eje de fácil magnetización del PuP se encuentra en la dirección ⟨100⟩. [ 9 ]

En NpFe 2 el eje fácil es ⟨111⟩. [ 10 ] Por encima de T C ≈ 500  K , NpFe 2 también es paramagnético y cúbico. El enfriamiento por debajo de la temperatura de Curie produce una distorsión romboédrica en la que el ángulo romboédrico cambia de 60° (fase cúbica) a 60,53°. Una descripción alternativa de esta distorsión es considerar la longitud c a lo largo del único eje trigonal (después de que ha comenzado la distorsión) y a como la distancia en el plano perpendicular a c . En la fase cúbica esto se reduce a c / a = 1,00 . Por debajo de la temperatura de Curie, la red adquiere una distorsión

doa−1=−(120±5)×10−4,{\displaystyle {\frac {c}{a}}-1=-(120\pm 5)\times 10^{-4},}

que es la mayor deformación en cualquier compuesto de actínido . [ 11 ] NpNi 2 experimenta una distorsión de red similar por debajo de T C = 32 K , con una deformación de (43  ±  5)  ×  10 −4 . [ 11 ] NpCo 2 es un ferrimagneto por debajo de 15  K.

En 2009, un equipo de físicos del MIT demostró que un gas de litio enfriado a menos de un kelvin puede exhibir ferromagnetismo. [ 12 ] El equipo enfrió litio-6 fermiónico a menos de 150 nK (150 milmillonésimas de kelvin) utilizando enfriamiento láser infrarrojo . Esta demostración es la primera vez que se ha demostrado el ferromagnetismo en un gas.   

En raras ocasiones, se puede observar ferromagnetismo en compuestos formados únicamente por elementos de los bloques s y p , como el sesquióxido de rubidio . [ 13 ]

En 2018, un equipo de físicos de la Universidad de Minnesota demostró que el rutenio tetragonal centrado en el cuerpo exhibe ferromagnetismo a temperatura ambiente. [ 14 ]

Ferromagnetismo inducido eléctricamente

Investigaciones recientes han demostrado que el ferromagnetismo puede inducirse en algunos materiales mediante una corriente o voltaje eléctrico . El LaMnO₃ y el SrCoO₃ antiferromagnéticos se han vuelto ferromagnéticos mediante una corriente. En julio de 2020, los científicos informaron haber inducido ferromagnetismo en el abundante material diamagnético pirita de hierro ("oro de los tontos") mediante la aplicación de un voltaje. [ 15 ] [ 16 ] En estos experimentos, el ferromagnetismo se limitó a una fina capa superficial.

Explicación

El teorema de Bohr-Van Leeuwen , descubierto en la década de 1910, demostró que las teorías de la física clásica no pueden explicar ninguna forma de magnetismo material, incluido el ferromagnetismo; la explicación depende más bien de la descripción cuántica de los átomos . Cada electrón de un átomo tiene un momento magnético de acuerdo con su estado de espín , como lo describe la mecánica cuántica. El principio de exclusión de Pauli , también una consecuencia de la mecánica cuántica, restringe la ocupación de los estados de espín de los electrones en los orbitales atómicos , lo que generalmente provoca que los momentos magnéticos de los electrones de un átomo se cancelen en gran medida o completamente. [ 17 ] Un átomo tendrá un momento magnético neto cuando esa cancelación sea incompleta.

Origen del magnetismo atómico

Una de las propiedades fundamentales del electrón (además de que posee carga) es su momento dipolar magnético ; es decir, se comporta como un pequeño imán, generando un campo magnético . Este momento dipolar proviene de una propiedad aún más fundamental del electrón: su espín cuántico. Debido a su naturaleza cuántica, el espín del electrón solo puede estar en dos estados, con el campo magnético apuntando hacia arriba o hacia abajo (para cualquier elección de arriba o abajo). El espín del electrón en los átomos es la principal fuente de ferromagnetismo, aunque también existe una contribución del momento angular orbital del electrón alrededor del núcleo . Cuando estos dipolos magnéticos en un átomo se alinean (apuntan en la misma dirección), sus campos magnéticos, individualmente diminutos, se suman para crear un campo macroscópico mucho mayor.

Sin embargo, los materiales formados por átomos con capas electrónicas completas tienen un momento dipolar total de cero: dado que los electrones existen en pares con espines opuestos, el momento magnético de cada electrón se cancela con el momento opuesto del segundo electrón del par. Solo los átomos con capas parcialmente llenas (es decir, con espines desapareados ) pueden tener un momento magnético neto, por lo que el ferromagnetismo solo se produce en materiales con capas parcialmente llenas. Debido a las reglas de Hund , los primeros electrones de una capa que de otro modo estaría desocupada tienden a tener el mismo espín, lo que aumenta el momento dipolar total.

Estos dipolos no apareados (a menudo llamados simplemente "espines", aunque generalmente también incluyen momento angular orbital) tienden a alinearse en paralelo a un campo magnético externo , lo que da lugar a un efecto macroscópico llamado paramagnetismo . En el ferromagnetismo, sin embargo, la interacción magnética entre los dipolos magnéticos de átomos vecinos es lo suficientemente fuerte como para que se alineen entre sí independientemente de cualquier campo aplicado, lo que resulta en la magnetización espontánea de los llamados dominios . Esto da lugar a la gran permeabilidad magnética observada en los materiales ferromagnéticos y a la capacidad de los materiales magnéticamente duros para formar imanes permanentes . 

Interacción de intercambio

Cuando dos átomos cercanos tienen electrones desapareados, el hecho de que los espines de los electrones sean paralelos o antiparalelos influye en si los electrones pueden compartir la misma órbita debido al efecto cuántico conocido como interacción de intercambio . Esto, a su vez, afecta la ubicación del electrón y la interacción de Coulomb (electrostática) , y por lo tanto, la diferencia de energía entre estos estados.

La interacción de intercambio está relacionada con el principio de exclusión de Pauli, que establece que dos electrones con el mismo espín no pueden estar en el mismo estado espacial (orbital). Esto es consecuencia del teorema de espín-estadística 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 átomos adyacentes se superponen, las distribuciones de su carga eléctrica en el espacio están más separadas cuando los electrones tienen espines paralelos que cuando tienen espines opuestos. Esto reduce la energía electrostática de los electrones cuando sus espines son paralelos en comparación con su energía cuando los espines son antiparalelos, por lo que el estado de espín paralelo es más estable. Esta diferencia de energía se denomina energía de intercambio . En términos sencillos, los electrones externos de átomos adyacentes, que se repelen entre sí, pueden separarse más alineando sus espines en la misma dirección.

Esta diferencia de energía puede ser órdenes de magnitud mayor que las diferencias de energía asociadas con la interacción dipolo-dipolo magnética debido a la orientación del dipolo, [ 18 ] que tiende a alinear los dipolos antiparalelos. En ciertos óxidos semiconductores dopados, se ha demostrado que las interacciones RKKY producen interacciones magnéticas periódicas de mayor alcance, un fenómeno significativo en el estudio de materiales espintrónicos . [ 19 ]

Los materiales en los que la interacción de intercambio es mucho más fuerte que la interacción dipolo-dipolo competitiva se denominan frecuentemente materiales magnéticos . Por ejemplo, en el hierro (Fe), la fuerza de intercambio es aproximadamente 1000 veces más fuerte que la interacción dipolar. Por lo tanto, por debajo de la temperatura de Curie, prácticamente todos los dipolos en un material ferromagnético estarán alineados. Además del ferromagnetismo, la interacción de intercambio también es responsable de otros tipos de ordenamiento espontáneo de momentos magnéticos atómicos que ocurren en sólidos magnéticos: antiferromagnetismo y ferrimagnetismo. Existen diferentes mecanismos de interacción de intercambio que crean el magnetismo en diferentes sustancias ferromagnéticas, [ 20 ] ferrimagnéticas y antiferromagnéticas; estos mecanismos incluyen intercambio directo , intercambio RKKY , intercambio doble y superintercambio .

anisotropía magnética

Aunque la interacción de intercambio mantiene los espines alineados, no los alinea en una dirección particular. Sin anisotropía magnética , los espines en un imán cambian de dirección aleatoriamente en respuesta a las fluctuaciones térmicas , y el imán es superparamagnético . Existen varios tipos de anisotropía magnética, siendo la más común la anisotropía magnetocristalina . Esta es una dependencia de la energía con respecto a la dirección de magnetización en relación con la red cristalográfica . Otra fuente común de anisotropía , la magnetostricción inversa , es inducida por tensiones internas . Los imanes de dominio único también pueden tener anisotropía de forma debido a los efectos magnetostáticos de la forma de la partícula. A medida que aumenta la temperatura de un imán, la anisotropía tiende a disminuir, y a menudo existe una temperatura de bloqueo a la cual ocurre una transición al superparamagnetismo. [ 21 ]

dominios magnéticos

Movimiento dinámico electromagnético de dominios magnéticos en acero al silicio eléctrico orientado de grano
Micrografía de Kerr de una superficie metálica que muestra dominios magnéticos, con franjas rojas y verdes que indican direcciones de magnetización opuestas.

La alineación espontánea de dipolos magnéticos en materiales ferromagnéticos sugeriría que cada pieza de material ferromagnético debería tener un campo magnético intenso, dado que todos los espines están alineados; sin embargo, el hierro y otros ferromagnetos se encuentran a menudo en un estado "no magnetizado". Esto se debe a que una pieza de material ferromagnético se divide en pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos [ 22 ] (también conocidos como dominios de Weiss ). Dentro de cada dominio, los espines están alineados, pero si el material se encuentra en su configuración de energía más baja (es decir, "no magnetizado"), los espines de los dominios separados apuntan en direcciones diferentes y sus campos magnéticos se cancelan, por lo que el material no tiene un campo magnético neto a gran escala.

Los materiales ferromagnéticos se dividen espontáneamente en dominios magnéticos debido a que la interacción de intercambio es una fuerza de corto alcance. Por lo tanto, a lo largo de grandes distancias de muchos átomos, la tendencia de los dipolos magnéticos a reducir su energía orientándose en direcciones opuestas se impone. Si todos los dipolos en un material ferromagnético se alinean en paralelo, se crea un gran campo magnético que se extiende al espacio circundante. Este campo contiene mucha energía magnetostática . El material puede reducir esta energía dividiéndose en muchos dominios que apuntan en diferentes direcciones, de modo que el campo magnético se confina a pequeños campos locales dentro del material, reduciendo así su volumen. Los dominios están separados por delgadas paredes de dominio de varias moléculas de espesor, en las que la dirección de magnetización de los dipolos rota suavemente de un dominio a otro.

Materiales magnetizados

El movimiento de las paredes de dominio en un grano de acero al silicio, provocado por un campo magnético externo creciente en dirección descendente, se observa con un microscopio Kerr. Las áreas blancas corresponden a dominios con magnetización hacia arriba, mientras que las áreas oscuras corresponden a dominios con magnetización hacia abajo.

Así, un trozo de hierro en su estado de energía más bajo ("no magnetizado") generalmente tiene poco o ningún campo magnético neto. Sin embargo, los dominios magnéticos en un material no están fijos; son simplemente regiones donde los espines de los electrones se han alineado espontáneamente debido a sus campos magnéticos, y por lo tanto pueden ser alterados por un campo magnético externo. Si se aplica un campo magnético externo suficientemente fuerte al material, las paredes de dominio se moverán mediante un proceso en el que los espines de los electrones en los átomos cercanos a la pared en un dominio giran bajo la influencia del campo externo para apuntar en la misma dirección que los electrones en el otro dominio, reorientando así los dominios de manera que más dipolos se alineen con el campo externo. Los dominios permanecerán alineados cuando se retire el campo externo y se sumarán para crear un campo magnético propio que se extiende al espacio que rodea el material, creando así un imán "permanente". Los dominios no regresan a su configuración original de energía mínima cuando se elimina el campo, ya que las paredes de dominio tienden a quedar "ancladas" o "enganchadas" en defectos de la red cristalina, conservando su orientación paralela. Esto se demuestra mediante el efecto Barkhausen : al cambiar el campo magnetizante, la magnetización del material cambia en miles de pequeños saltos discontinuos a medida que las paredes de dominio "pasan" repentinamente por encima de los defectos.

Esta magnetización, en función de un campo externo, se describe mediante una curva de histéresis . Si bien este estado de dominios alineados que se encuentra en un material ferromagnético magnetizado no es una configuración de energía mínima, es metaestable y puede persistir durante largos períodos, como lo demuestran las muestras de magnetita del fondo marino que han mantenido su magnetización durante millones de años.

Calentar y luego enfriar ( recocer ) un material magnetizado, someterlo a vibraciones golpeándolo con un martillo o aplicar un campo magnético que oscila rápidamente desde una bobina desmagnetizadora tiende a liberar las paredes de dominio de su estado anclado, y los límites de dominio tienden a moverse de nuevo a una configuración de menor energía con un campo magnético externo menor, desmagnetizando así el material.

Los imanes comerciales están hechos de materiales ferromagnéticos o ferrimagnéticos "duros" con una anisotropía magnética muy grande, como el alnico y las ferritas , que tienen una fuerte tendencia a que la magnetización apunte a lo largo de un eje del cristal, el "eje fácil". Durante la fabricación, los materiales se someten a diversos procesos metalúrgicos en un potente campo magnético, que alinea los granos del cristal de manera que sus ejes "fáciles" de magnetización apunten todos en la misma dirección. De este modo, la magnetización, y el campo magnético resultante, queda "integrada" en la estructura cristalina del material, lo que hace que sea muy difícil desmagnetizarlo.

Temperatura de Curie

A medida que aumenta la temperatura de un material, el movimiento térmico, o entropía , compite con la tendencia ferromagnética de los dipolos a alinearse. Cuando la temperatura supera un cierto punto, denominado temperatura de Curie , se produce una transición de fase de segundo orden y el sistema ya no puede mantener una magnetización espontánea, por lo que desaparece su capacidad de magnetizarse o ser atraído por un imán, aunque sigue respondiendo paramagnéticamente a un campo externo. Por debajo de esa temperatura, se produce una ruptura espontánea de la simetría y los momentos magnéticos se alinean con sus vecinos. La temperatura de Curie es un punto crítico donde la susceptibilidad magnética es teóricamente infinita y, aunque no existe magnetización neta, las correlaciones de espín tipo dominio fluctúan en todas las escalas de longitud.

Véase también

Referencias

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