Antiferromagnetismus

Die bekannte Heisenberg-Theorie des Ferromagnetismus in den 3d-Übergangsmetallen Eisen, Kobalt und Nickel beruht auf der Annahme eines positiven Austauschintegrals zwischen benachbarten Ionen, da Ferromagnetismus in Fällen, in denen dieses Integral negativ ist (`antiferromagnetisch‘), nicht möglich ist. Die Vorstellung, dass die übrigen nicht ferromagnetischen Mitglieder der 3d-Reihe (Sc, Ti, V, Cr, Mn) daher negative Austauschintegrale aufweisen, führte zu einer theoretischen Untersuchung der Eigenschaften antiferromagnetischer Systeme. Néel war der erste, der zeigte, dass ein solches System eine kritische Temperatur, Tc, hat, unterhalb derer die atomaren Momente abwechselnd parallel und antiparallel angeordnet sind. Oberhalb von Tc sind die Momente ungeordnet, wie bei einem Ferromagneten oberhalb seiner Curie-Temperatur. Die Theorie wurde später von Van Vleck erweitert, und es stellte sich heraus, dass das antiferromagnetische Modell auf eine Reihe einfacher Verbindungen der Übergangsmetalle (z. B. CrSb, MnO, MnF2) gut passte. Diese frühen Entwicklungen, die in den ersten Kriegsjahren stattgefunden hatten, werden in den Abschnitten 1 und 2 beschrieben. Besondere Aufmerksamkeit wird der Theorie von Van Vleck gewidmet, da diese den Ausgangspunkt für viele spätere Arbeiten bildet. In § 3 werden spätere experimentelle Studien über antiferromagnetische Verbindungen besprochen, wobei den Ergebnissen, die mit den Methoden der Neutronenbeugung erzielt wurden, besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Messungen der magnetischen Anisotropie und der leichten Verzerrungen, die in vielen antiferromagnetischen Gittern beim Ordnen auftreten, werden ebenfalls ausführlich beschrieben, und die theoretische Bedeutung der Beobachtungen wird nebenbei diskutiert. Die theoretischen Versuche zur Verbesserung der Van-Vleck-Theorie, sowohl durch die Erweiterung des Modells als auch durch die Verwendung genauerer Statistiken, werden in § 4 behandelt. In diesem Abschnitt wird auch der Superexchange-Mechanismus erörtert, der die Beobachtung erklärt, dass die stärksten Wechselwirkungen in MnO z. B. zwischen den nächstgelegenen Mn-Ionen stattfinden und nicht, wie man erwarten könnte, zwischen den nächsten Nachbarn. Der letzte Abschnitt (§ 5) enthält einen kurzen Überblick über den gegenwärtigen Stand der nicht-ferromagnetischen Übergangsmetalle selbst; es wird gezeigt, dass die jüngsten Neutronenbeugungsstudien von Shull und Wilkinson eine Beschreibung mit kollektiven Elektronen bevorzugen und nicht die Art der Beschreibung, die für die antiferromagnetischen Verbindungen erfolgreich ist. Der Weg, die gegenwärtige Theorie der kollektiven Elektronen so zu erweitern, dass sie antiferromagnetische Ordnungen liefern kann, wurde kürzlich von Slater aufgezeigt. Der Bericht schließt mit einer Tabelle, in der experimentelle Arbeiten zum Antiferromagnetismus nach Verbindungen und untersuchten Eigenschaften aufgelistet sind. Dies dürfte nützlich sein, da es oft schwierig ist, die experimentellen Arbeiten zu einer bestimmten Verbindung von Interesse zu verfolgen.