反強磁性

反強[[磁性]]：磁気モーメントを持たない物質の性質

反[強磁性]]とは、物質を構成する原子やイオンの磁気モーメント（スピン）が、隣り合うもの同士で互いに逆向きに整列することで、全体として磁気モーメントがゼロとなる現象です。多くの反強[[磁性]]物質は、電気を通しにくい絶縁体です。代表的な例として、酸化[[マンガン]や酸化ニッケル(NiO)が挙げられます。

これらの物質では、隣り合うスピンを反対方向に揃えようとする相互作用が働きます。この相互作用の主な原因の一つに超交換相互作用があります。これは、磁性イオン間に介在する非磁性イオン（例えば、酸化マンガンでは酸素イオン）を介して間接的に相互作用が働く現象です。しかし、スピンを逆向きに揃えようとする反強[[磁性]]相互作用は超交換相互作用だけでなく、ハイゼンベルクの交換相互作用においても、磁性軌道間に重なりがあれば負の係数が生じ、反強[[磁性]]相互作用をもたらします。

反強[[磁性]]と温度の関係

強[[磁性]]と同様に、反強[[磁性]]も低温でしかその性質を示しません。温度が上昇し、熱揺らぎが大きくなると、スピンの向きはランダムになり、全体としての磁気モーメントは失われます。この転移温度をネール温度と呼びます。ネール温度以上では、物質は常磁性を示し、磁化率はキュリー・ワイスの法則で近似的に表すことができます。

反強[[磁性]]と超交換相互作用

多くの反強[[磁性]]物質、そしてフェリ磁性物質において、超交換相互作用が磁気特性を決定づける重要な役割を果たしています。酸化マンガンを例に考えてみましょう。酸化マンガンでは、マンガンイオンが2つの副格子(AとB)に分けられ、それぞれの副格子のマンガンイオンのスピンはほぼ逆向きに整列しています。

酸素イオンを介して、マンガンイオン間の超交換相互作用が働きます。マンガンイオン(Mn²⁺)の3d軌道には、フントの規則に従ってスピンが同じ向きに揃った5つの電子が存在します。酸素イオン(O²⁻)の2p軌道の電子は、マンガンイオンの3d電子のスピンと反対向きにスピンを揃えて結合します。このため、一方のマンガンイオン(Mn²⁺(A))と結合した酸素イオン(O²⁻)の2p電子は、もう一方のマンガンイオン(Mn²⁺(B))とは逆向きのスピンを持つことになり、結果的に、2つのマンガンイオンのスピンは逆向きに整列します。この相互作用が、酸化マンガンにおける反強[[磁性]]を生み出しています。

広義の反強[[磁性]]

ここまで述べてきたのは典型的な反強[[磁性]]ですが、より複雑なスピン配置を持つ物質も存在します。例えば、α-マンガンは複雑な結晶構造を持ち、複数の異なるスピン状態が存在します。また、クロムでは、スピンが正弦関数的に変化するようなスピン配置が確認されています。さらに、ランタノイド元素の一部では、隣り合うスピンが0度から180度の間の角度を持つらせん磁性という現象が観察されています。フェリ磁性や弱強[[磁性]]も、全体としては磁気モーメントを持つものの、スピン配置から見ると反強[[磁性]]の変形と考えることができます。

反強[[磁性]]の用途

反強[[磁性]]物質は、スピンデバイスの分野で注目を集めています。例えば、スピンバルブと呼ばれる磁気抵抗効果素子のピン層として用いられ、磁化の方向を固定する役割を果たします。

注意点

反強[[磁性]]と反[[磁性]]は全く異なる現象です。反[[磁性]]は、物質が外部磁場に対してわずかに反発する性質であり、反強[[磁性]]とは区別する必要があります。

参考文献

・『磁気工学の基礎 I』太田敬三・著 共立出版 1973年 ISBN 4-320-00200-8

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