Estructuras magnéticas

Cuando en un sólido los momentos magnéticos localizados en los sitios de una red de Bravais no interactúan con el entorno, en ausencia de campo externo su orientación es aleatoria y por lo tanto el momento magnético promedio inducido en cada ion es nulo. Sin embargo, en algunos sólidos al reducir el campo aplicado hasta cero, puede quedar una magnetización remanente, también llamada magnetización espontánea, que corresponde a un ordenamiento preferencial de estos momentos magnéticos individuales. Este fenómeno llamado ferromagnetismo se da por debajo de cierta “temperatura de Curie” $T_c$, y algunos ejemplos de átomos ferromagnéticos son el Fe ($T_c\!=$1043 K), Co (1388 K), Ni (627 K), Gd (293 K), Dy (85 K), etc. Cuando por debajo de una temperatura $T_c$ existe cierto ordenamiento pero los momentos magnéticos se cancelan por completo, el material se denomina antiferromagnético, y los casos más simples se componen de dos redes idénticas intercaladas, cada red con magnetización no nula, que se cancela con la de la otra red; ejemplos de antiferromagnetismo se dan en el MnO ($T_c\!=$122 K), FeO (198 K), Co (291 K), NiO (600 K), etc.

Los materiales ferromagnéticos tienen todos sus iones con momentos magnéticos medios no nulos, resultando en una magnetización espontánea distinta de cero. Los denominados ferrimagnéticos poseen magnetización espontánea no nula, aunque algunos momentos magnéticos se anulan en algunos de sus iones; este es el caso de la magnetita (Fe$_3$O$_4$, $T_c\!=$858 K), CoFe$_2$O$_4$ ($T_c\!=$793 K), NiFe$_2$O$_4$ ($T_c\!=$858 K), etc.

Por debajo de la temperatura de Curie $T_c$, con campo nulo, suelen analizarse diferentes comportamientos para caracterizar la respuesta de los materiales. Como vimos en Termodinámica, los distintos exponentes críticos dan cuenta de esto, como el exponente $\beta$ asociado con la dependencia de la magnetización espontánea en función de $T$

$$M(T) \sim (T_c-T)^\beta \qquad (T<T_c) \;.$$

Este exponente $\beta$ toma valores típicos entre 0,33 y 0,37. La susceptibilidad magnética diverge a medida que la temperatura desciende hasta la temperatura de Curie, lo que se caracteriza con el exponente $\gamma$

$$\chi \sim (T-T_c)^{-\gamma} \qquad (T>T_c)$$

que toma valores alrededor de 1,3 - 1,4. También se releva el calor específico a campo nulo a través del exponente $\alpha$

$$c_H(T) = T\left(\frac{\partial s}{\partial T}\right)_H \sim (T-T_c)^{-\alpha} \;,$$

cuyos valores pueden rondar 0,1 o menos.