Temperatura di Néel

La temperatura di Néel dal nome dal suo scopritore Louis Néel, fisico francese che ricevette il premio Nobel nel 1970 descrive la temperatura limite alla quale una sostanza antiferromagnetica diventa paramagnetica perdendo le sue proprietà antiferromagnetiche.

Al di sotto di essa invece le forze che tendono ad appaiare gli spin degli elettroni superano l’effetto opposto dell’energia termica della sostanza. La temperatura di Néel può essere vista come analoga al punto Curie che è la temperatura alla quale un materiale ferromagnetico perde le sue proprietà magnetiche e mostra paramagnetismo.

La differenza fondamentale tra la temperatura di Curie e la temperatura di Neel è che alla temperatura di Curie le proprietà magnetiche permanenti di alcuni materiali vengono perse mentre, alla temperatura di Néel, i materiali antiferromagnetici diventano paramagnetici.

Antiferromagnetismo e temperatura di Néel

L’antiferromagnetismo è un tipo di ordine magnetico che si verifica quando i momenti magnetici di atomi o ioni adiacenti si allineano in direzioni opposte, risultando in un momento magnetico netto pari a zero. Nei materiali che mostrano antiferromagnetismo, i momenti magnetici atomici o molecolari, normalmente associati agli spin degli elettroni, si allineano in uno schema regolare con gli spin adiacenti (su diversi sottoreticoli) che puntano in direzioni opposte.

antiferromagnetismo da Chimicamo
antiferromagnetismo

Questa è una manifestazione di magnetismo ordinato, simile al ferromagnetismo e al ferrimagnetismo. Il fenomeno dell’antiferromagnetismo fu introdotto per la prima volta nel 1933 da Lef Landau. In generale, l’ordine antiferromagnetico esiste a temperature sufficientemente basse ma svanisce al di sopra della temperatura di Néel.

Questo comportamento è dovuto all’interazione di scambio tra atomi o ioni vicini, che favorisce l’allineamento antiparallelo per minimizzare l’energia del sistema. I materiali antiferromagnetici come il manganese, il cromo, l’ematite, gli ossidi MnO2, FeO, CoO mostrano tipicamente un ordinamento magnetico al di sotto della temperatura di Néel.

Suscettività magnetica

La suscettività magnetica è una grandezza adimensionale generalmente denotata con il simbolo χ, che descrive la capacità di una sostanza di magnetizzarsi in presenza di un campo magnetico. La suscettività magnetica aumenta inversamente con la temperatura superiore alla temperatura di Néel e diminuisce inversamente al di sotto di questa temperatura.

suscettivita da Chimicamo
suscettività magnetica

La suscettività magnetica è la risposta magnetica di una sostanza a un campo magnetico e può provocare disomogeneità locali del campo magnetico e perdita di segnale. Questi effetti sono proporzionali all’intensità del campo e alle differenze di suscettibilità di due regioni. Essa  aumenta con l’intensità del campo e può derivare da effetti macroscopici come l’interfaccia tra sostanze  oppure può derivare da effetti microscopici come materiali paramagnetici o ferromagnetici .

La suscettibilità magnetica è uno dei parametri più comunemente misurati in vari studi magnetici delle rocce, principalmente a causa dell’elevata sensibilità e dell’attuale disponibilità di strumenti, nonché della facilità con cui viene misurata

Materiali  antiferromagnetici

La struttura antiferromagnetica è stata dimostrata per la prima volta dalla diffrazione di neutroni negli ossidi di metalli di transizione come gli ossidi di nichel ferro e manganese. Gli esperimenti condotti dal fisico statunitense Clifford Shull vincitore del premio Nobel per la fisica nel 1994 hanno fornito i primi risultati che mostrano che i dipoli magnetici possono essere orientati in una struttura antiferromagnetica.

Tra i vari esempi si annovera l’ematite, i metalli come il cromo, le leghe come ferro manganese (FeMn) e ossidi come l’ossido di nichel (NiO). Vi sono, anche se in rari casi molecole organiche che possono anche mostrare un accoppiamento antiferromagnetico.

ossido di manganese da Chimicamo
ossido di manganese

Ad esempio, un antiferromagnete può accoppiarsi a un ferromagnete attraverso un meccanismo noto come polarizzazione di scambio. In questo meccanismo, una pellicola ferromagnetica viene cresciuta su un antiferromagnete o ricotta in un campo magnetico di allineamento per allineare gli atomi della superficie ferromagnetica con gli atomi della superficie magnetica.

Ciò fornisce la capacità di fissare l’orientamento della pellicola ferromagnetica ed è uno degli usi principali delle cosiddette valvole di rotazione, che sono la base dei sensori magnetici, comprese le moderne testine di lettura dei dischi rigidi. La temperatura al di sopra della quale uno strato antiferromagnetico perde la sua capacità di intrappolare la direzione di magnetizzazione di uno strato ferromagnetico adiacente è chiamata temperatura di blocco di quello strato ed è solitamente inferiore alla temperatura di Nèel.

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