Antiferromagnétisme

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
image illustrant l’électromagnétisme
Cet article est une ébauche concernant l’électromagnétisme.

Vous pouvez partager vos connaissances en l’améliorant (comment ?) selon les recommandations des projets correspondants.

Ce modèle est-il pertinent ? Cliquez pour en voir d'autres.
Cet article ne cite pas suffisamment ses sources (août 2012).

Si vous disposez d'ouvrages ou d'articles de référence ou si vous connaissez des sites web de qualité traitant du thème abordé ici, merci de compléter l'article en donnant les références utiles à sa vérifiabilité et en les liant à la section « Notes et références » (modifier l'article, comment ajouter mes sources ?).

L'antiferromagnétisme est une propriété de certains milieux magnétiques. Contrairement aux matériaux ferromagnétiques, dans les matériaux antiferromagnétiques, l’interaction d’échange entre les atomes voisins conduit à un alignement antiparallèle des moments magnétiques atomiques. L'aimantation totale du matériau est alors nulle. Tout comme les ferromagnétiques, ces matériaux deviennent paramagnétiques au-dessus d’une température de transition appelée température de Néel.

Du microscopique au macroscopique[modifier | modifier le code]

Structure cristalline et orientation de l'aimantation[modifier | modifier le code]

Dans un matériau antiferromagnétique, on peut diviser la structure cristalline en plusieurs sous-réseaux de moments magnétiques différents, mais dont la somme vectorielle de ces moments est nulle.

Exemple de l'oxyde de Manganèse

Dans le cas simple d'un antiferromagnétique divisible en deux sous-réseaux A et B, les moments de ceux-ci sont exactement égaux et opposés en direction, soit

Interaction d'échange et influence de la température[modifier | modifier le code]

Comportement physique global[modifier | modifier le code]

Variation de la susceptibilité en fonction de la température

Dans ces matériaux, la variation de la susceptibilité va être la conséquence d'une lutte entre l'énergie d'interaction d'échange et l'énergie provenant de l'agitation thermique. Les moments magnétiques qui se compensent parfaitement sans agitation thermique, vont se désordonner légèrement avec la température de façon à créer un moment magnétique qui va croître jusqu'à une température T_N dite température de Néel. Au-dessus de la température de Néel (T_N), l'agitation thermique est trop importante et les moments magnétiques si désordonnés que la susceptibilité diminue. On comprend donc la variation de la susceptibilité en fonction de la température, qui augmente jusqu'à T_N puis diminue.

La température de Néel[modifier | modifier le code]

On rappelle que la température de Néel représente la température de passage du comportement antiferromagnétique au comportement paramagnétique d'un matériau antiferromagnétique. En supposant qu’un antiferromagnétique peut se décomposer en deux sous-réseaux A et B, le coefficient d’échange (lié à l'interaction d'échange) entre deux réseaux antiparallèles est donné par et par pour un échange dans un même réseau.

On peut montrer que la température de Néel vaut .

Démonstration:

On a donc le champ magnétique total agissant respectivement sur A et B :

Avec H le champ imposé au matériau, MA et MB respectivement le moment magnétique des sous-réseaux A et B.

Comme à la température de Néel, les propriétés paramagnétiques commencent à apparaître, on peut écrire :

avec la constante Curie telle que

Donc à champ nul (H=0), si on injecte les formules du moment magnétique, on retrouve le système suivant:

Ainsi à champ nul (H=0), le système des deux équations linéaires précédentes a une solution telle que le déterminant des coefficients de celles-ci soit nul. Ainsi, la température maximale que l’on peut trouver est donnée par l’expression :

Ainsi en découle la température de Néel

Variation théorique de l’aimantation au-dessus de la température de Néel[modifier | modifier le code]

Si au-dessus de la température de Néel TN, on considère qu’un antiferromagnétique est constitué de deux sous-réseaux ferromagnétiques, on montre d’après la loi de Curie-Weiss,

que

avec C la constante de Curie, et une constante de température inférieure à TN

Preuve expérimentale du comportement en température[modifier | modifier le code]

Diffraction d'un faisceau incident sur un plan atomique

Expérimentalement, on peut mettre en évidence l'apparition de ce désordre magnétique (tendance des moments magnétiques à s'orienter aléatoirement) grâce à la diffraction de neutrons. En effet, si les électrons peuvent diffracter selon la loi de Bragg grâce aux interactions électrostatiques des atomes dans les structures cristallines, on peut avoir une diffraction des neutrons par interaction des moments magnétiques, lorsqu'ils possèdent aussi un certain ordre. Ainsi, plus le matériau est ordonné, plus il comporte de plans de diffraction et donc un nombre de pic élevé en intensité en fonction de l'angle de diffraction. On rappelle qu'il y a diffraction lorsqu'on respecte les conditions de Bragg: ,

Expérience de diffraction neutronique

avec dhkl: la distance entre les plans de la famille hkl,

θ: l'angle incident du faisceau,

λ: la longueur d'onde du faisceau

n: l'ordre du plan diffracté

Ci-contre, on peut voir le résultat obtenu à partir d'un échantillon d'oxyde de manganèse et des neutrons monocinétiques de 0,074 eV, en fonction de la température. On voit bien qu'avec l'agitation thermique, les plans de diffraction changent et que moins de pics apparaissent, témoignant de la disparition de plans de diffraction et donc la disparition de l'ordre antiferromagnétique.

Influence du champ magnétique sur l'orientation des spins[modifier | modifier le code]

La susceptibilité d'un antiferromagnétisme est faible. À titre d'exemple, elle est de 3.6x10-6 pour le chrome. La courbe de la valeur de l'aimantation M en fonction du champ magnétique H est différente selon l'angle entre les spins et H au début de l'application. Lorsqu'on augmente le champ magnétique, l'aimantation a tendance à s'aligner dans la direction du champ magnétique tandis que l'interaction d'échange s'y oppose. L'énergie d'échange est tellement grande qu'il faut appliquer un champ de plusieurs centaines de Tesla pour saturer un matériau antiferromagnétique. Nous allons illustrer ce propos avec deux cas extrêmes: quand H est parallèle aux spins et lorsque H est perpendiculaire aux spins à une température donnée.

Aimantation en fonction du champ initialement perpendiculaire
Orientation des spins en fonction de la direction du champ

Quelques matériaux antiferromagnétiques[modifier | modifier le code]

Dans le tableau périodique, le seul élément possédant des propriétés antiferromagnétiques à température ambiante est le chrome. Généralement, les antiferromagnétiques sont des céramiques composées de métaux de transition ainsi que d'oxygène ou de sulfure. Le métal de transition est le sous-réseau qui possède le moment magnétique qui répond au champ magnétique (sous la température de Néel). Le moment magnétique du sous réseau correspondant à l’oxyde varie spontanément avec l’aimantation du premier réseau, en s’alignant dans la direction opposée, et avec la même amplitude.

La table suivante donne quelques exemples de matériaux antiferromagnétiques avec quelques caractéristiques

Matériau Réseau paramagnétique Température de transition TN(K) Température de Curie-Weiss θp(K) Rapport θp/TN
MnO CFC 116 610 5,3
MnS CFC 160 528 3,3
MnTe Hex 307 690 2,25
MnF2 CC 67 82 1,24
FeF2 CC 79 117 1,48
FeCl2 Hex 24 48 2,0
FeO CFC 198 570 2,9
CoCl2 Hex 25 38.1 1,53
CoO CFC 291 330 1,14
NiCl2 Hex 50 68.2 1,37
NiO CFC 525 -2000 -4

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Étienne du trémolet de lacheisserie, Magnétisme I fondements,  laboratoire Louis néel, Grenoble

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]