Antiferromagnetik dan Aplikasinya

Antiferromagnetik pertama kali ditemukan pada tahun 1938 oleh Bizette, Squire, dan Tsai ketika mereka bekerja menggunakan Mangan Oksida. Namun Néel dan Bitter telah memperesentasikan lebih awal mengenai antiferromagnetik secara teoritis dan Van Vleck pertama kali mendapatkan treatment paling detail mengenai antiferromagnetik. Pada material ini interaksi antara momen magnetik cenderung untuk mensejajarkan diri dengan momen antiparalel yang berdekatan. Antiferomagnet berisi dua subkisi-kisi yang identik dari ion-ion magnetik, seperti yang diilustrasikan dalam gambar dibawah ini.

Keteraturan dari ion-ion magnetik pada sebuah kisi antiferromagnetik

Satu set dari ion magnetik secara spontan termagnetisasi di bawah temperatur kritis (dinamakan temperatur Neel, TN), temperatur Neel adalah temperatur yang menandai perubahan sifat magnet dari antiferromagnetik ke paramagnetik, temperatur Neel analog seperti Temperatur Curie pada material ferromagnetik. Set kedua secara spontan termagnetisasi oleh jumlah yang sama pada arah sebaliknya. Sebagai hasilnya, antiferomagnet tidak memiliki total magnetisasi spontan (net spontaneous magnetization), dan respon mereka terhadap medan luar pada temperatur tertentu sama seperti material paramagnetik- magnetisasinya linear terhadap medan yang diterapkan, dan suseptibilitasnya kecil dan bernilai positif. Suseptibilitas material antiferromagnetik diatas temperatur Neel juga sama seperti material paramagnet, tetapi dibawah TN suseptibilitasnya menurun seiring menurunnya temperatur, seperti yang ditunjukan pada gambar dibawah ini.

Kebergantungan suseptibilitas terhadap temperatur pada material antiferromagnetik

Pencitraan struktur magnetik dari antiferromagnetik dapat diobservasi menggunakan eksperimen difraksi neutron. Teori momen-terlokalisasi digunakan untuk memahami kebergantungan temperatur terhadap suspetibilitas pada bahan antiferomagnetik. Teori yang berperan dalam kesejajaran magnetik material antiferromagnetik adalah teori Weiss. Walaupun seperti paramagnetik, material antiferromagnetik tidak memiliki flux magnetik yang kuat.

Ilustrasi MnO

Salah satu contoh terkenal material antiferomagnetik adalah MnO. Dengan menggunakan difraksi neutron, MnO dapat berbentuk face-centered cubic jika ditempatkan diatas temperatur Neel dan simple cubic (memiliki NaCl lattice) jika ditempatkan dibawah temperatur Neel dengan memiliki nilai konstanta kisi yang berbeda pada kondisi temperatur tersebut, tetapi jika menggunakan difraksi sinar-X, baik ditempatkan pada temperatur diatas dan dibawah temperatur Neel, MnO berstruktur face-centered cubic dengan konstanta kisi bernilai a=4.43A. Difraksi neutron sangat sensitif terhadap keteraturan magnetik. Spektrum difraksi neutron dan struktur MnO dapat dilihat dibawah ini,

Pola difraksi Neutron pada temperatur ruang (bagian bawah), dan pada 80 K (bagian atas)

Struktur MnO diatas (kiri) dan dibawah (kanan) temperatur Neel

Superexchange

Selanjutnya kita akan menampilkan bagaimana sederhananya penjelasan mengenai ikatan valensi untuk memprediksi kesejajaran antiferromagnetik pada bahan antiferromagnetik secara umum yang dinamakan dengan fenomena superexchange (Magnetik Oksida).

Ikatan pada MnO merupakan ikatan ionik, Ion Mn²⁺ berisi lima elektron 3d, Ion-ion O^2- memiliki kulit elektron yang terisi, hibridisasi hanya dapat ditempati oleh donor elektron dari ion O^2- kedalam orbital yang kosong dari ion Mn²⁺. Maka, karena semua orbital Mn berisi sebuah elektron spin-up, ikatan hanya terjadi jika oksigen terdekatnya mendonorkan elektron spin-downnya.

APLIKASI ANTIFERROMAGNETIK

Antiferromagnetik tidak mempunya aplikasi yang luas seperti ferromagnetik, karena keterbatasannya dalam magnetisasi spontan. Bahan antiferromagnetik dan ferromagnetik sangat berhubungan.

Skema dari partikel core-shell yang berisi inti ferromagnetik Co, dengan kulit antiferromagnetik CoO disekelilingnya.

Salah satu kegunaan bahan antiferromagnetik yang baru-baru ini digunakan adalah katup spin (spin valve), karena adanya fenomena yang dinamakan pertukaran anisotropik (exchange anisotropy) atau kopilng exchange-bias. Exchange anisotropy pertama kali di teliliti lebih dari 50 tahun yang lalu  pada sebuah partikel single domain (berdiameter 100-1000 A) Co (bahan ferromagnetik) yang dilapisi dengan antiferromagnetik CoO, seperti yang ditunjukan pada gambar diatas. Sampel Co/CoO tersebut, didingikan pada medan nol, dan memiliki hysteresis normal.

Perbedaan koersivitas dari medan forward (maju) dan reverse(balik) diaplikasikan pada sistem exchange-bias yang digunakan pada aplikasi katup-spin (spin-valve) untuk meletakan arah magnetisasi dari lapisan ferromagnetik. Lapisan yang diletakan tersebut dikopling kepada lapisan ferromagnetik kedua yang dapat merubah orientasi magnetisasinya dalam respon terhadap medan luar. Resistansi dari devais bernilai kecil jika lapisan ferromagnetik disejajarkan pada arah yang sama, dan bernilai tinggi jika disejajarkan pada arah yang berlawanan. Oleh karena itu, devais tersebut dapat digunakan sebagai sensor medan magnetik yang sensitif.

Referensi

Nicola A. Spaldin. Magnetic Materials Fundamental .... Cambridge University Press.