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Ferri- und Antiferromagnetismus

Ferrimagnetismus und Antiferromagnetismus sind zwei magnetische Eigenschaften von Materialien. Im Gegensatz zu antiferromagnetischen Materialien werden ferrimagnetische Materialien von einem Magnetfeld stark angezogen. Paramagnetismus, Ferromagnetismus und Diamagnetismus sind weitere magnetische Eigenschaften von Materie.

Insbesondere die letzteren drei Eigenschaften sind weithin bekannt, jedoch können damit nicht alle Materialien vollständig charakterisiert werden. So existieren Stoffe, die in Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus eingeteilt werden müssen. Die beiden Eigenschaften können mit der Überlagerung von zwei ferromagnetischen Untergittern, die gegeneinander polarisiert sind, beschrieben werden. So hat der Stoff Manganoxid beispielsweise zwei benachbarte Elektronenspins. Diese Elementarmagnete sind antiparallel ausgerichtet, wodurch sich zwei Ebenen von untereinander wiederum parallelen Spins bilden. Das ist ein typisches Beispiel für Antiferromagnetismus. In einem solchen Stoff heben sich die beiden ferromagnetischen Untergitter bzw. deren magnetische Eigenschaften gegeneinander auf.

Beim Ferrimagnetismus wiederum ist eines dieser Untergitter bzw. dessen magnetische Eigenschaft stärker, als die des anderen Untergitters. Ferner ist es nicht zwingend, dass die verschiedenen Untergitter einer antiparallelen Ausrichtung folgen. Um die Bedeutung und die Wirkungsweise von Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus genau zu verstehen, macht man sich am besten mit den Grundlagen des Ferromagnetismus - der bekanntesten magnetischen Eigenschaft - vertraut:

Durch die Austauschwechselwirkung der zueinander parallel ausgerichteten Elektronenspins in einem ferromagnetischen Material wird diese Ausrichtung stabilisiert. Das führt dazu, dass ein ferromagnetisches Material magnetisiert werden kann. Wenn der Ferromagnet vollständig magnetisiert ist, sind alle Elektronenspins in der Materie parallel ausgerichtet. Ein höherer Magnetisierungsgrad kann nicht erreicht werden.

In einem antiferromagnetischen Stoff wiederum gibt es ebenfalls einen solchen maximalen Magnetisierungsgrad, jedoch jeweils im Untergitter. Das bedeutet, dass sich die atomaren Spins nur teilweise nach dem äußeren Magnetfeld anordnen – alle anderen Spins ordnen sich in der genau entgegengesetzten Ausrichtung an. Das kann mit den sogenannten Weißschen Bezirken verglichen werden, die bei einer nicht vollständigen Magnetisierung und insbesondere bei der Entmagnetisierung eines ferromagnetischen Stoffes entstehen. So sind die Elektronenspins innerhalb eines Weißschen Bezirks zwar parallel ausgerichtet, zwischen den verschiedenen Bezirken jedoch herrscht keine parallele Ausrichtung. In einem antiferromagnetischen Material überlappen sich die Bezirke und bilden die eben genannten Untergitter. Beim Antiferromagneten kompensieren sich die magnetischen Momente aller Untergitter. Beim Ferrimagnetismus wiederum überwiegt das gesamte magnetische Moment einer bestimmten Ausrichtung bzw. eines bestimmten Untergitters.

Daraus resultiert der folgende Effekt: Ein Antiferromagnet verstärkt ein Magnetfeld nicht, ein Ferrimagnet wiederum kann ein Magnetfeld verstärken - er verhält sich im Grunde wie ein schwacher Ferromagnet.

Für ferromagnetische Stoffe gibt es eine stoffspezifische Curie-Temperatur, welche angibt, ab welcher Temperatur ein ferromagnetisches Material zu einem paramagnetischen Material wird. Der Grund dafür ist, dass die Ausrichtung der Spins beim Überschreiten der Curie-Temperatur durch die Wärmebewegung der einzelnen Atome zerstört wird. Für die magnetische Suszeptibilität X eines Stoffes gilt mit der Curie-Konstante C:
 
Etwas Ähnliches gibt es auch für Antiferromagneten, jedoch nicht mit der Curie-Temperatur bzw. der Curie-Konstante, sondern mit der sogenannten Neel-Temperatur  bzw. der Neel-Konstanten N: