El intercambio antisimétrico , también conocido como la interacción Dzyaloshinskii-Moriya ( DMI ), es una contribución a la interacción de intercambio magnético total entre dos espines magnéticos vecinos, y . Cuantitativamente, es un término en hamiltoniano que puede escribirse como
- .
En sistemas ordenados magnéticamente, favorece una inclinación de giro de momentos magnéticos alineados (anti) paralelos y, por lo tanto, es una fuente de comportamiento ferromagnético débil en un antiferromagnético . La interacción es fundamental para la producción de skyrmions magnéticos y explica los efectos magnetoeléctricos en una clase de materiales denominados multiferroics .
Historia
El descubrimiento del intercambio antisimétrico se originó a principios del siglo XX a partir de la controvertida observación de ferromagnetismo débil en típicamente antiferromagnético Cristales de α- Fe 2 O 3 . [1] En 1958, Igor Dzyaloshinskii proporcionó evidencia de que la interacción se debía a la red de espín relativista y las interacciones del dipolo magnético basadas enla teoría de Lev Landau de las transiciones de fase del segundo tipo . [2] En 1960, Toru Moriya identificó el acoplamiento espín-órbita como el mecanismo microscópico de la interacción de intercambio antisimétrico. [1] Moriya se refirió a este fenómeno específicamente como la "parte antisimétrica de la interacción de superecambio anisotrópico". El nombre simplificado de este fenómeno ocurrió en 1962, cuando D. Treves y S. Alexander de Bell Telephone Laboratories simplemente se refirieron a la interacción como intercambio antisimétrico. Debido a sus contribuciones fundamentales al campo, el intercambio antisimétrico a veces se denomina interacción Dzyaloshinskii-Moriya . [3]
Derivación
La forma funcional del DMI se puede obtener mediante un análisis perturbativo de segundo orden de la interacción de acoplamiento espín-órbita, entre iones [1] en elformalismo de superexchange de Anderson. Tenga en cuenta que la notación utilizada implicaes un vector tridimensional de operadores de momento angular en el ion i , y es un operador de giro tridimensional de la misma forma:
dónde es la integral de intercambio,
con la función de onda orbital de tierra del ion en , etc. Si el estado fundamental no es degenerado, entonces los elementos de la matriz de son puramente imaginarios, y podemos escribir fuera como
Efectos de la simetría cristalina
En un cristal real, las simetrías de los iones vecinos dictan la magnitud y la dirección del vector . Considerando el acoplamiento de los iones 1 y 2 en ubicaciones y , con el punto que se biseca denotado , Se pueden obtener las siguientes reglas: [1]
- Cuando un centro de inversión se encuentra en ,
- Cuando un plano de espejo perpendicular a atravesar ,
- Cuando hay un plano de espejo que incluye y ,
- Cuando un eje de rotación de dos pliegues perpendicular a atravesar ,
- Cuando hay un -eje de plegado () a lo largo de ,
La orientación del vector. está limitado por la simetría, como ya se discutió en la publicación original de Moriya. Teniendo en cuenta el caso de que la interacción magnética entre dos iones vecinos se transfiera a través de un solo tercer ion ( ligando ) por el mecanismo de superecambio (ver Figura), la orientación de se obtiene por la simple relación . [4] [5] Esto implica que está orientado perpendicular al triángulo atravesado por los tres iones involucrados. si los tres iones están en línea.
Medición
La interacción Dzyaloshinskii-Moriya ha demostrado ser difícil de medir experimentalmente directamente debido a sus efectos típicamente débiles y similitud con otros efectos magnetoeléctricos en materiales a granel. Los intentos de cuantificar el vector DMI han utilizado interferencia de difracción de rayos X , dispersión de Brillouin , resonancia de espín de electrones y dispersión de neutrones . Muchas de estas técnicas solo miden la dirección o la fuerza de la interacción y hacen suposiciones sobre la simetría o el acoplamiento de la interacción de espín. Un avance reciente en la resonancia de espín de electrones de banda ancha junto con la detección óptica (OD-ESR) permite la caracterización del vector DMI para materiales de iones de tierras raras sin suposiciones y en un amplio espectro de intensidad de campo magnético. [6]
Ejemplos de materiales
La imagen de la derecha muestra un complejo de óxido de metal pesado coordinado que puede mostrar un comportamiento ferromagnético o antiferromagnético según el ion metálico. La estructura que se muestra se conoce como la estructura cristalina de corindón , que lleva el nombre de la forma primaria de óxido de aluminio ( Al
2O
3), que muestra el grupo espacial trigonal R 3 c . La estructura también contiene la misma celda unitaria que α -Fe 2 O 3 y α -Cr 2 O 3 que poseen unasimetría de grupo espacialD 6 3d . La celda unitaria de la mitad superior mostrada muestra cuatroionesM 3+ a lo largo de la diagonal espacial del romboedro. En laestructura deFe 2 O 3 , los espines del primer y último ion metálico son positivos mientras que los dos centrales son negativos. En el Estructura α -Cr 2 O 3 , los espines del primer y tercer ión metálico son positivos, mientras que el segundo y el cuarto son negativos. Ambos compuestos son antiferromagnéticos a bajas temperaturas (<250 K), sin embargo α -Fe 2 O 3 por encima de esta temperatura sufre un cambio estructural en el que su vector de giro total ya no apunta a lo largo del eje del cristal sino a un ligero ángulo a lo largo del plano basal (111). Esto es lo que hace que el compuesto que contiene hierro muestre un momento ferromagnético instantáneo por encima de 250K, mientras que el compuesto que contiene cromo no muestra cambios. Por tanto, es la combinación de la distribución de espines iónicos, la desalineación del vector de espín total y la antisimetría resultante de la celda unitaria lo que da lugar al fenómeno de intercambio antisimétrico observado en estas estructuras cristalinas. [2]
Aplicaciones
Skyrmions magnéticos
Un skyrmion magnético es una textura magnética que se produce en el campo de magnetización. Existen en configuraciones de espiral o erizo que se estabilizan mediante la interacción Dzyaloshinskii-Moriya. Los Skyrmions son de naturaleza topológica, lo que los convierte en candidatos prometedores para futuros dispositivos espintrónicos .
Multiferroics
El intercambio antisimétrico es de importancia para la comprensión de la polarización eléctrica inducida por magnetismo en una clase de multiferroics recientemente descubierta . Aquí, se pueden inducir pequeños cambios de los iones del ligando por orden magnético , porque los sistemas tienden a mejorar la energía de interacción magnética a costa de la energía de la red. Este mecanismo se denomina "efecto Dzyaloshinskii-Moriya inverso". En ciertas estructuras magnéticas, todos los iones del ligando se desplazan en la misma dirección, lo que conduce a una polarización eléctrica neta. [5]
Debido a su acoplamiento magnetoeléctrico, los materiales multiferroicos son de interés en aplicaciones donde existe la necesidad de controlar el magnetismo a través de campos eléctricos aplicados. Dichas aplicaciones incluyen sensores de magnetorresistencia de túnel (TMR), válvulas giratorias con funciones sintonizables de campo eléctrico, sensores de campo magnético alterno de alta sensibilidad y dispositivos de microondas sintonizables eléctricamente. [7] [8]
La mayoría de los materiales multiferroicos son óxidos de metales de transición debido al potencial de magnetización de los electrones 3d. Muchos también pueden clasificarse como perovskitas y contienen el ion Fe 3+ junto con un ion lantánido. A continuación se muestra una tabla abreviada de compuestos multiferroicos comunes. Para obtener más ejemplos y aplicaciones, consulte también Multiferroics .
Material | Ferroeléctrico T C [K] | Magnético T N o T C [K] | Tipo de ferroelectricidad |
---|---|---|---|
BiFeO 3 | 1100 | 653 | único par |
HoMn 2 O 5 | 39 [9] | impulsado magnéticamente | |
TbMnO 3 | 27 | 42 [10] | impulsado magnéticamente |
Ni 3 V 2 O 8 | 6,5 [11] | ||
MnWO 4 | 13,5 [12] | impulsado magnéticamente | |
CuO | 230 [13] | 230 | impulsado magnéticamente |
ZnCr 2 Se 4 | 110 [14] | 20 |
Ver también
- Interacción de intercambio
- Acoplamiento giro-órbita
- Supercambio
- Teoría de Landau
- Skyrmions
- Multiferroics
Referencias
- ↑ a b c d T. Moriya (1960). "Interacción de superecambio anisotrópico y ferromagnetismo débil". Revisión física . 120 (1): 91. Bibcode : 1960PhRv..120 ... 91M . doi : 10.1103 / PhysRev.120.91 .
- ^ a b I. Dzyaloshinskii (1958). "Una teoría termodinámica del ferromagnetismo" débil "de los antiferromagnéticos". Revista de Física y Química de Sólidos . 4 (4): 241. Bibcode : 1958JPCS .... 4..241D . doi : 10.1016 / 0022-3697 (58) 90076-3 .
- ^ D. Treves; S. Alexander (1962). "Observación de la interacción de intercambio antisimétrico en itrio ortoferrita". Revista de Física Aplicada . 33 (3): 1133-1134. doi : 10.1063 / 1.1728631 .
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