反強磁性

反強磁性を示す物質では、原子や分子の磁気モーメント（通常は電子のスピンに関係）が規則的なパターンで並び、隣接するスピン（異なるサブ格子上）は反対方向を向いています。これは、強磁性やフェリ磁性と同様に、秩序だった磁性の現れです。反強磁性の現象は、1933年にレフ・ランダウによって初めて導入されました。^[1]

一般的に、反強磁性秩序は十分に低い温度では存在するが、ネール温度以上では消失する。ネール温度は、西洋で初めてこのタイプの磁気秩序を特定したルイ・ネールにちなんで名付けられた。 ^[2]ネール温度以上では、物質は通常常磁性である。

外部磁場が印加されていない場合、反強磁性構造は全磁化がゼロになる状態に対応する。外部磁場下では、反強磁性相で一種の強磁性挙動が示され、副格子磁化の絶対値が他の副格子磁化の絶対値と異なり、結果として正味磁化がゼロにならない。絶対零度では正味磁化はゼロになるはずであるが、スピン傾斜の影響により、例えばヘマタイトで見られるように、小さな正味磁化が生じることが多い。^[要出典]

反強磁性体の磁化率は、通常、ネール温度で最大値を示します。対照的に、強磁性相から常磁性相への遷移では、磁化率は発散します。反強磁性の場合、交互磁化率に発散が見られます。

磁気モーメントまたはスピン間のさまざまな微視的（交換）相互作用により、反強磁性構造が生じる可能性があります。最も単純なケースでは、最も近い隣接サイトでのスピン間の結合を伴う、 2 部格子（たとえば単純立方格子）上のイジング モデルを検討できます。その相互作用の符号に応じて、強磁性または反強磁性秩序が生じます。幾何学的なフラストレーション、または競合する強磁性および反強磁性相互作用により、異なる、おそらくより複雑な磁気構造が生じる可能性があります。

強磁性材料の場合と同様に、磁化と磁化場の関係は非線形である。これはヒステリシスループ^[3]の寄与によるもので、強磁性材料の場合は残留磁化が伴う。

反強磁性構造は、ニッケル、鉄、マンガン酸化物などの遷移金属酸化物の中性子回折によって初めて示されました。クリフォード・シャルによって行われた実験は、磁気双極子が反強磁性構造に配向できることを示す最初の結果をもたらしました。^[4]

反強磁性体は遷移金属化合物、特に酸化物によく見られます。例としては、ヘマタイト、クロムなどの金属、鉄マンガン (FeMn) などの合金、酸化ニッケル (NiO) などの酸化物が挙げられます。また、核密度の高い金属クラスターにも多数の例があります。有機分子も、5-デヒドロ-m-キシリレンなどのラジカルに見られるように、まれな状況下では反強磁性結合を示すことがあります。

反強磁性体は、例えば、交換バイアスと呼ばれるメカニズムを通じて強磁性体と結合することができる。このメカニズムでは、強磁性体膜が反強磁性体上に成長するか、整列磁場内で焼きなましされて、強磁性体の表面原子が反強磁性体の表面原子と整列する。これにより、強磁性体膜の方向を「固定」する能力が得られ、これはいわゆるスピンバルブの主な用途の 1 つとなる。スピンバルブは、現代のハードディスクドライブの読み取りヘッドを含む磁気センサーの基礎となっている。反強磁性層が隣接する強磁性層の磁化方向を「固定」する能力を失う温度以上は、その層のブロッキング温度と呼ばれ、通常はネール温度よりも低い。

強磁性とは異なり、反強磁性相互作用は複数の最適状態 (基底状態 - エネルギーが最小の状態) につながる可能性があります。 1 次元では、反強磁性基底状態は、上、下、上、下などのスピンの交互の連続です。 しかし、2 次元では、複数の基底状態が発生する可能性があります。

各頂点に 1 つずつ、計 3 つのスピンがある正三角形を考えてみましょう。各スピンが 2 つの値 (上または下) しか取れない場合、システムには 2 ³ = 8 の状態があり、そのうち 6 つが基底状態です。基底状態ではない 2 つの状況は、3 つのスピンがすべて上またはすべて下の場合です。他の 6 つの状態のいずれでも、2 つの好ましい相互作用と 1 つの好ましくない相互作用があります。これはフラストレーション、つまりシステムが単一の基底状態を見つけることができないことを示しています。このタイプの磁気挙動は、カゴメ格子や六方格子などの結晶積層構造を持つ鉱物で発見されています。

合成反強磁性体（SAFと略されることが多い）は、非磁性層で分離された2つ以上の薄い強磁性層からなる人工反強磁性体です。 ^[5]強磁性層の双極子結合により、強磁性体の磁化は反平行に配列されます。

反強磁性は巨大磁気抵抗において重要な役割を果たしており、1988 年にノーベル賞受賞者のアルバート・フェールとペーター・グリュンベルク(2007 年受賞) が合成反強磁性体を使用して発見しました。

また、ネール温度以下で反強磁性になる無秩序な材料（リン酸鉄ガラスなど）の例もあります。これらの無秩序なネットワークは、隣接するスピンの反平行性を「妨げ」ます。つまり、各スピンが反対の隣接スピンに囲まれたネットワークを構築することは不可能です。隣接スピンの平均相関が反強磁性であると判断することしかできません。このタイプの磁性は、スペロ磁性と呼ばれることもあります。

• 交換バイアス - 磁性材料の二重層（または多層）で発生し、反強磁性薄膜の硬磁化挙動により強磁性薄膜の軟磁化曲線がシフトします。Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
• 巨大磁気抵抗 – 金属層の導電性の変化を伴う現象
• 幾何学的にフラストレーションのある磁石 - 原子が非自明な位置に固執する傾向がある現象。占有する空間と両立しない自由度のセットPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• イジングモデル – 統計力学における強磁性の数学的モデル
• ANNNI モデル – イジング モデルの変種
• モットネス – 従来は導体であると予測されていたが、実際には絶縁体である物質Pages displaying short descriptions of redirect targets
• 量子スピン液体 – 物質の相
• 強磁性 – 物質が磁石を形成して引き付けられるメカニズム
• 反磁性 – 一般的な物質の磁性

• ウィキメディア・コモンズの反強磁性に関するメディア
• 磁性: E. Pavarini、E. Koch、U. Schollwöck のモデルとメカニズム: 相関物質における創発現象、Jülich 2013、ISBN 978-3-89336-884-6