Anisotropia magnetica

L’anisotropia magnetica implica un campo magnetico non uniforme ed è una proprietà dei materiali magnetici che determina il loro diverso comportamento magnetico in diverse direzioni. Fin dai primi periodi della civiltà, l’anisotropia magnetica è stata utilizzata in dispositivi creati dall’uomo, come, ad esempio, le bussole magnetiche in cui l’ago magnetico punta lungo una direzione specifica, determinata da un campo magnetico applicato esternamente.

Contrariamente ai materiali isotropi che da un punto di vista magnetico  non presentano una direzione preferenziale di orientazione del momento magnetico in assenza di un campo esterno i materiali che mostrano anisotropia magnetica hanno un momento che tende ad allinearsi ad un asse preciso.

L’energia di un magnete dipende dalla direzione della magnetizzazione rispetto agli assi cristallini. Questa importante proprietà, nota come anisotropia magnetica, è l’origine dell’isteresi e della coercitività ed è intimamente correlata a fenomeni quali la formazione del momento orbitale, la magnetoelasticità e la magnetoresistenza

Origini dell’anisotropia magnetica

L’anisotropia magnetica può essere dovuta a una causa singola o a una combinazione di questi fattori:

Anisotropia cristallina o magnetocristallina

L’anisotropia magnetocristallina (MCA), che si verifica in tutti i materiali cristallini che mostrano ferromagnetismo e ferrimagnetismo,  è la tendenza della magnetizzazione ad allinearsi lungo una direzione cristallografica preferenziale.

In altre parole, le proprietà magnetiche possono essere notevolmente distinte lungo diverse direzioni. Il meccanismo dominante che dà origine all’anisotropia magnetocristallina è l’accoppiamento spin-orbita . A causa di questo accoppiamento, gli orbitali elettronici sono in una certa misura legati allo spin elettronico e tendono a seguire rigidamente lo spin quando la magnetizzazione cambia orientamento nello spazio.

Costituisce l’unico contributo intrinseco al materiale che ha le sue origini a livello atomico. Nei   materiali con una grande anisotropia c’è un forte accoppiamento tra lo spin e i momenti angolari orbitali all’interno di un atomo. Inoltre, gli orbitali atomici sono generalmente non sferici.

Anisotropia di forma

Un’altra origine comune dell’anisotropia magnetica appartiene alla forma anisotropa dell’elemento magnetico. L’anisotropia di forma è quasi sempre presente, poiché il mezzo magnetico non è mai una sfera ideale. È fondamentalmente l’interazione dipolare anisotropa dei poli magnetici che tende a magnetizzare gli elementi magnetici con momenti magnetici diretti parallelamente alle superfici per minimizzare l’energia magnetostatica.

Anisotropia magnetica superficiale

È il fenomeno per il quale le proprietà magnetiche di un materiale sono influenzate dalle sue caratteristiche superficiali, come nei film ultrasottili. La  simmetria interrotta su superfici e interfacce di film sottili magnetici e multistrati, infatti, spesso induce una certa anisotropia nel sistema.

Si verifica negli strati di materiali magnetici in cui il comportamento di magnetizzazione hard di un film sottile antiferromagnetico provoca uno spostamento nella curva di magnetizzazione soft di un film ferromagnetico .

Effetto magnetoelastico

L’effetto magnetoelastico o effetto Villari, dal nome del suo scopritore, il fisico italiano Emilio Villari, è la variazione della suscettività magnetica di un materiale quando sottoposto ad una sollecitazione meccanica.

Contrariamente alla magnetostrizione che è una proprietà dei materiali magnetici che fa sì che cambino forma o dimensioni durante il processo di magnetizzazione, l’effetto magnetoelastico o magnetostrittivo inverso, caratterizza il cambiamento della magnetizzazione di un campione quando su di esso vengono applicate sollecitazioni meccaniche

Cause dell’anisotropia magnetica

Diversi fattori possono contribuire allo sviluppo dell’anisotropia magnetica nei materiali come:

A causa della loro forma, le orbite preferiscono giacere in certe direzioni cristallografiche. L’accoppiamento spin-orbita assicura quindi una direzione preferita per la magnetizzazione, chiamata direzione preferenziale. Ruotare la magnetizzazione lontano dalla direzione preferenziale costa energia, detta energia di anisotropia . Come ci si potrebbe aspettare, l’energia di anisotropia dipende dalla struttura reticolare.

Struttura cristallina: la simmetria della struttura cristallina di un materiale può influenzare la direzione del suo asse preferenziale. Ad esempio, nei materiali cubici, l’asse preferenziale è spesso allineato con la diagonale del corpo del cristallo, mentre nei materiali non cubici, l’asse preferenziale può essere allineato con uno specifico asse cristallino.

Accoppiamento spin-orbita: l’accoppiamento spin-orbita degli elettroni in un materiale può anche contribuire allo sviluppo dell’anisotropia magnetica. Questa interazione tra lo spin degli elettroni e il loro moto orbitale può portare a un orientamento preferito dei momenti magnetici.

Forma: la forma di un materiale può anche influenzare la sua anisotropia magnetica. Ad esempio, pellicole sottili o piccole particelle spesso mostrano anisotropia di forma a causa dell’influenza di effetti di superficie o di bordo.

Doping: l’incorporazione di impurità o difetti in un materiale può anche influenzare la sua anisotropia magnetica. Il doping può modificare la struttura elettronica e le proprietà magnetiche di un materiale, portando a cambiamenti nel suo comportamento di magnetizzazione.

Deformazione: applicare una deformazione meccanica a un materiale può anche influenzare la sua anisotropia magnetica. La deformazione può alterare la simmetria della struttura cristallina e influenzare la direzione dell’asse preferenziale.

Effetto degli elettroni π

Gli elettroni presenti nei sistemi π come, ad esempio, composti aromatici, alcheni , alchini e gruppi carbonilici, interagiscono con un campo magnetico applicato e ciò induce un campo magnetico che causa l’anisotropia.

Di conseguenza, i nuclei vicini sperimenteranno tre campi diversi ovvero il campo applicato, il campo di schermatura degli elettroni di valenza e il campo dovuto al sistema π. Gli elettroni π, quando posti in un campo magnetico, si muoveranno e genereranno il loro campo magnetico. Il nuovo campo magnetico ha un effetto sulla schermatura degli atomi all’interno del campo.

A seconda della posizione del nucleo si può verificare una schermatura o una deschermatura o deschermato, il che implica che l’energia richiesta per la frequenza dell’assorbimento cambierà. Ciò provoca un chemical shift che è particolarmente importante nella spettroscopia di risonanza magnetica nucleare.

Le caratteristiche strutturali della molecola hanno un effetto sulla grandezza esatta del campo magnetico sperimentato da un particolare nucleo. Ciò significa che gli atomi di idrogeno che hanno diversi ambienti chimici presentano un diverso chemical shift e ciò rende la risonanza magnetica nucleare un supporto fondamentale nella caratterizzazione dei composti organici. Gli spettri NMR si presentano come un grafico in cui è presente la radiofrequenza applicata rispetto all’assorbimento. La frequenza applicata aumenta da sinistra a destra, quindi il lato sinistro del grafico è il lato a basso campo, downfield o deschermato e il lato destro del grafico è il lato ad alto campo, upfield o schermato

Questo effetto è comune per tutti gli atomi vicini a un legame π come si può osservare in tabella

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