Ferrimagnetismo
Il ferrimagnetismo è una proprietà osservata nei materiali in cui i campi magnetici associati ai singoli atomi si allineano spontaneamente, alcuni parallelamente o nella stessa direzione come nel caso del ferromagnetismo, e altri generalmente antiparalleli o accoppiati in direzioni opposte come nel caso dell’antiferromagnetismo.
Si può pensare al ferrimagnetismo come una combinazione di ferromagnetismo e antiferromagnetismo a causa delle numerose somiglianze tra loro, sebbene presenti punti di differenza. Similmente ai materiali che presentano ferromagnetismo, quelli che presentano ferrimagnetismo hanno un momento magnetico spontaneo ovvero, presentano un momento magnetico anche in assenza di un campo magnetico e isteresi al di sotto del loro punto di Curie, e si comportano mostrando paramagnetismo al di sopra di esso.
D’altro canto, similmente ai materiali che presentano antiferromagnetismo, i momenti magnetici dei materiali che presentano ferrimagnetismo si allineano antiparalleli tra loro, con la differenza che il momento magnetico netto è diverso da zero.
I materiali ferrimagnetici si distinguono dai materiali ferromagnetici e antiferromagnetici a causa della disposizione dei loro momenti magnetici e dalla dipendenza delle proprietà magnetiche risultanti dalla temperatura, che dipendono dai tipi di elementi nel materiale, dalla sua struttura cristallina e dall’elaborazione microstrutturale.
Nei materiali che mostrano ferrimagnetismo si hanno due sottoreticoli magnetici che possono essere presenti in taluni casi perché il materiale è costituito da due tipi di atomi magnetici e, in altri casi perché gli stessi atomi hanno due posizioni diverse nel reticolo cristallino che li fanno comportare in modo diverso. Entrambi i sottoreticoli si accoppiano antiferromagneticamente, ma poiché i loro momenti non sono uguali, si annullano a vicenda solo parzialmente e rimane una magnetizzazione macroscopica diversa da zero
Il ferrimagnetismo fu scoperto dal fisico francese Louis Eugène Félix Néel, premio Nobel per la fisica nel 1970 per i suoi studi sulle proprietà magnetiche dei solidi. Nel 1932 Néel descrisse il fenomeno dell’antiferromagnetismo, in cui i momenti magnetici in un materiale sono orientati in direzioni opposte e nel 1947 descrisse il fenomeno del ferrimagnetismo, in cui i momenti magnetici sono allineati in direzioni opposte ma di diversa entità e quindi vi è un momento magnetico permanente.
Materiali che mostrano ferrimagnetismo
I materiali ferrimagnetici sono anche magnetici e vengono attratti in un campo magnetico. Infatti In un materiale ferrimagnetico gli atomi hanno momenti magnetici opposti disuguali e pertanto presentano una magnetizzazione spontanea. I materiali ferrimagnetici sono costituiti generalmente da ioni diversi come Fe2+ e Fe3+.
Il primo materiale scoperto che mostra ferrimagnetismo è la magnetite Fe3O4 che si forma in vari contesti geologici, tra cui ambienti sedimentari, ignei e idrotermali. Ha una temperature di Néel vicino a 587 °C. Gli anioni di ossigeno formano un reticolo cubico a facce centrate con cationi Fe 2+ e Fe 3+ nei siti interstiziali.
Altri esempi di materiali ferrimagnetici sono la trevorite ossido di nichel–ferro, presente nel minerale raro del supergruppo dello spinello NiFe2O4, la magnesioferrite ossido di magnesio-ferro MgFe2O4, la ferrite di manganese MnFe2O4, la ferrite di bario BaFe12O19 e il granato di ferro e ittrio Y3Fe5O12
La maggior parte dei materiali che mostrano ferrimagnetismo sono cattivi conduttori elettrici. I materiali ferrimagnetici rimangono magnetici fino a una temperatura critica nota come temperatura di Néel alla quale i movimenti termici randomizzano gli spin magnetici.
Le temperature di Néel sono diverse per ogni materiale e coprono un ampio intervallo. Ad esempio, le temperature di Néel sono 585 °C per la
magnetite e la trevorite, 460 °C per la ferrite di bario, 440 °C per magnesioferrite, 300 °C per la ferrite di manganese e 287 °C per il granato di ferro e ittrio. I granati sono un gruppo di minerali silicati complessi con varie composizioni e proprietà magnetiche e, in particolare, il granato di ferro e ittrio con caratteristiche di bassa perdita alle frequenze delle microonde è largamente utilizzato nei dispositivi a microonde, come isolatori, circolatori e filtri che sono componenti essenziali nei sistemi di comunicazione e nella tecnologia radar.
Le ferriti del gruppo dello spinello hanno buone proprietà magnetiche, strutturali, ottiche, elettriche e dielettriche che le rendono adatte a potenziali applicazioni in dispositivi moderni
Temperatura di compensazione
La temperatura di compensazione (Tcomp) è un parametro importante dei materiali che mostrano ferrimagnetismo. A causa della diversa dipendenza del magnetismo dalla temperatura nei due sottoreticoli all’interno dei materiali caratterizzati da ferrimagnetismo e a causa del fatto che entrambi puntano in direzioni opposte, in taluni casi c’è una temperatura alla quale entrambi i sottoreticoli raggiungono lo stesso valore e si annullano.
A questa temperatura, il sistema mostra antiferrimagnetismo. L’esistenza e il valore di questa temperatura sono all’origine della grande importanza che questi materiali possono avere in molte applicazioni. Nel caso della lega ferrimagnetica Gd1−x Cox , ad esempio, la temperatura di compensazione per i sottoreticoli di gadolinio e cobalto sono molto diverse e pari a 20°C e 1127°C rispettivamente e, per concentrazioni intorno a x = 0.78 la compensazione è presente a temperatura ambiente.
Al di sotto della temperatura di compensazione il sottoreticolo di gadolinio è più forte e si allinea con il campo, costringendo il sottoreticolo di cobalto a puntare in modo antiparallelo al campo esterno. Al di sopra di tale temperatura il comportamento è invertito. I piccoli valori della magnetizzazione in prossimità di questa temperatura facilitano l’anisotropia perpendicolare e piccoli cambiamenti di temperatura consentono all’ordinamento magnetico di cambiare in modo vistoso.
Nel caso di eterostrutture a doppio strato o a più strati costituite da metalli delle terre rare e da metalli di transizione l’accoppiamento antiparallelo alle interfacce determina anche la struttura magnetica dell’intero materiale, producendo un ferrimagnete artificiale che condivide la maggior parte delle proprietà delle leghe.
La possibilità di scegliere gli spessori e, in taluni casi, la composizione e il drogaggio degli strati consente di ottenere determinate proprietà. La compensazione magnetica nei materiali ferrimagnetici ha un ruolo importante nei dispositivi di registrazione spintronica nella memorizzazione ed elaborazione dell’informazione e magnetica.
Applicazioni
I materiali che mostrano ferrimagnetismo hanno applicazioni nell’archiviazione dei dati e, in particolare, nei supporti di registrazione magnetica. Ad esempio, le nanoparticelle di magnetite possono essere utilizzate come supporto di archiviazione magnetica ad alta densità, mentre le ferriti sono comunemente utilizzate nei nastri magnetici e nelle unità disco rigido.
I materiali ferrimagnetici, come la magnetite, possono essere impiegati in sensori di campo magnetico, biosensori e dispositivi magnetoresistivi. I sensori magnetoresistivi sono in grado di rilevare variazioni del campo magnetico attraverso il cambiamento della resistenza elettrica.
Questa proprietà è sfruttata in una varietà di applicazioni, dalla determinazione della posizione alla misurazione della velocità e all’identificazione di campi magnetici terrestri o artificiali. Inoltre, le ferriti sono utilizzate in sensori di coppia, sensori di posizione magnetici e attuatori per il controllo preciso di sistemi meccanici.
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il 30 Gennaio 2025