Medios ferrimagnéticos: Ejemplos y propiedades magnéticas.

Propiedades magnéticas de ferritas y granates. Ferrimagnetismo, visualización de ejemplos.

Los ferrimagnéticos presentan imanación espontánea por debajo de la temperatura de Curie (\(T_{c}\)), presentan dominios magnéticos y la susceptibilidad muy por encima de \(T_{c}\) sigue la ley de Curie-Weiss, \(\frac{1}{\chi }= A\left ( T-\vartheta \right )\), pero con \(\vartheta \) negativa en lugar de positiva. Esto se debe a que la alineación entre los momentos iónicos de las subredes magnéticas es opuesta (canje negativo). Sin embargo, a pesar de la oposición la resultante da una imanación neta.

Ejemplos son, por lo que a estructura se refiere, las espinelas y los granates, normalmente artificiales.

•  La espinela es de fórmula \(MQ_{2}O_{4}\), siendo \(M^{2+}\) un ión divalente (\(Mn\),\(Fe\),\(Ni\),\(Co\),\(Cu\),\(Zn\),\(Mg\)) y \(Q^{3+}\) uno trivalente (\(Mn\),\(Fe\),\(Co\),\(Al\),\(Ga\)), siendo estos los iones magnéticos. Usualmente se las denomina ferritas. 
• Los granates son de fórmula más complicada, \(M_{3}Q_{2}P_{3}O_{12}\) o \(M_{3}Q_{2}(PO_{4})_{3} \), siendo \(M^{3+} \),\(Q^{3+}\) y \(P^{3+}\) iones magnéticos trivalentes ocupando posiciones cristalográficas no equivalentes. Un granate muy usado en microondas es el YIG \((Y_{3}Fe_{2}Fe_{3}O_{12}) \). 

En la actualidad se conocen ferrimagnéticos entre los intermetálicos de tierras raras con otros elementos, como \(Fe\), \(Co\), \(Ni\), etc, cuando las tierras raras son pesadas (desde el \(Gd\)). A continuación vamos a dar una visión muy somera de las propiedades magnéticas de los ferrimagnéticos.

1.Imanación

La imanación a bajas temperaturas es normalmente marcadamente inferior a la del \(Fe\).

En las ferritas del orden de \(3 \ a \ 4 \mu _{B}/f.unidad\) a bajas temperaturas. Pero en los granates puede ser tan alto como \(30 \mu _{B}/f.unidad\). Las formas de las curvas de imanación son o parecidas a las de los ferromagnéticos con decrecimiento suave, o tiene lugar el llamado punto de inversión, en el que las imanaciones de las dos subredes (A y B) se compensan, anulándose entre sí. Por debajo de la temperatura de compensación \(M_{A}> M_{B} \) y por encima \(M_{A}< M_{B} \) .

Dos tipos de curvas de imanación. Unas con decaimiento suave y otras con punto de inversión

Las estructuras deducidas o son colineales o son triangulares "canted". Estructuras más complejas se han podido deducir pero ya no por medios de imanación sino por difracción de neutrones. Observemos en las siguientes imágenes a que nos estamos refiriendo:

Estructuras ferrimagnéticas de dos subredes deducidas por imanación

Ferrimagnetismo triangular. Se observa SubRed B hexagonal.

2.Difracción de neutrones

Si los iones magnéticos diferentes de las dos subredes ocupasen sitios cristalográficos equivalentes aparecerían extralíneas; al no aparecer esto indica a que ocupan sitios cristalográficamente no equivalentes. Lo único que sucede es una variación en las intensidades de las líneas nucleares.

La estructura en espinela de la ferrita

 Así se han detectado estructuras muy complejas como la del granate de \(Ho\) y \(Fe\), que la que hay 6 subredes magnéticas de \(Ho\). Sin difracción de neutrones no sería posible detectar estas estructuras, separando las imanaciones de las distintas subredes. También se puede utilizar la teoría del campo molecular para separar las imanaciones de subredes a partir de la imanación total mediante cálculos teóricos. Es el caso de las \(TRFe_{2} \) y \(TRCo_{2}\).

3.Campo hiperfino

Dado que como hemos visto por NMR los dos sitios no son equivalentes, en las dos subredes, se medirán campos hiperfinos diferentes en los núcleos de ambas subredes. Ambos campos proporcionales a las dos imanaciones, pudiéndose estudiar su variación con la temperatura. En la siguiente figura se muestran las imanaciones de las subredes A y B por separado.

Imanación de cada subred en el granate YIG \( ^{57}Fe\)

4.Calor específico magnético.Anisotropía.

Se aplica todo lo dicho para ferromagnéticos.Calor específico en ferromagnetismo de los elementos puros. La única complicación extra viene dada, claro está, por las anisotropías competitivas de las diversas subredes, que son las que determinan las orientaciones de las imanaciones correspondientes.

5.Región paramagnética

Como no nos cansamos de repetir a temperatura muy por encima de \(T_{c}\), \(\chi\) varía muy poco \(\chi = \frac{C}{T-\vartheta }\), pero donde \(\vartheta\) es negativa. \(\chi\) enseña una curvatura pronunciada cerca de \(T_{c}\) ,es por lo que \(\vartheta\) es negativa y refleja la interacción de canje negativo entre subredes,como se ve en la siguiente figura.

Pronunciada curvatura de \(\chi\) al llegar a \(T_{c}\)