Magnetische Anisotropie

Magnetische Anisotropie beschreibt die Tatsache, dass magnetische Materialien eine Vorzugsrichtung oder Vorzugsebene für die Magnetisierung aufweisen können. Das Maß dafür ist die magnetische Anisotropieenergie, die als Arbeit definiert ist, die man benötigt um die Magnetisierung eines geschlossenen Systems (kein Teilchenaustausch) aus der leichten Richtung herauszudrehen.

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Beispiele

• Bei einem einkristallinen Eisenzylinder, dessen Länge wesentlich größer als dessen Radius sei, verbleibt die Magnetisierung vorzugsweise in Richtung der Längsachse. Dies ist eine sogenannte "leichte" Richtung (engl. 'easy axis'). Hier ist die Anisotropie im wesentlichen durch die Form der Probe bestimmt, man nennt diese dann "Formanisotropie".

• Eine einkristalline Eisenkugel, hat trotz ihrer isotropen Form, ebenfalls Vorzugsrichtungen der Magnetisierung. Dies ist auf die innere Struktur zurückzuführen. Man nennt diese "Kristallanisotropie" (engl. 'cristalline anisotropy').

Erläuterung

Das Auftreten der magnetischen Anisotropie ist auf den ersten Blick überraschend. Die Austauschwechselwirkung, die für die kollektive Ordnung der magnetischen Momente verantwortlich ist, ist isotrop. Der Heisenbergsche Spin-Hamiltonian ist (als Skalarprodukt) ebenfalls isotrop. Magnetische Anisotropie ist jedoch Erfahrungstatsache. Eine thermodynamische Betrachtung führt zur Gibbschen freien Energiedichte, ein phänomenologischer Zugang in dem Symmetriebetrachtungen eine leitende Rolle spielen, führt zu den Termen die die Anisotropie beschreiben; dies wurde zuerst vom russischen Physiker Akulov durchgeführt. Die spontane Magnetisierung ist isotrop, d.h. für alle Richtungen gleich groß. Dies folgt aus der Beobachtung, dass die Magnetisierung eines ferromagnetischen Einkristalls in einem hinreichend hohen Feld für alle Richtungen gleich groß ist. Alle ferromagnetischen Eigenschaften eines Ferromagnetikums gehen in allen Richtungen bei der gleichen Temperatur verloren, d.h. der Curie-Punkt ist isotrop.

Auftreten der magnetischen Anisotropie

Allerdings kann man, je nach Richtung, ein unterschiedliches Magnetisierungsverhalten messen. Ein Eiseneinkristall erreicht seine Sättigungsmagnetisierung recht schnell wenn man ihn entlang seiner Würfelkanten magnetisiert. Bei Magnetisierung entlang der Flächendiagonalen wächst die Magnetisierung – verglichen mit obigem Fall – langsamer. Ein ferromagnetischer Einkristall zeigt in verschiedenen Richtungen i.a. verschiedene Magnetisierungskurven. Man kann diese magnetische Anisotropie durch die Magnetisierungsarbeit kennzeichnen. Beim Eisen ist die Magnetisierungsarbeit entlang der Würfelkanten am geringsten, diese Richtung bezeichnet man als leichte Richtung. Eisen hat 3 leichte und 4 schwere Richtungen (entlang der Raumdiagonalen). In Kobalt findet man eine leichte (die hexagonale Achse) und unendlich viele schwere Richtungen.

Die magnetische Anisotropieenergie beschreibt die mit der Orientierung der Magnetisierung verbundene Energie. Die Größe der magnetischen Anisotropieenergien liegen mehrere Größenordnungen unter denen der Austauschenergie, welche für die spontane kollektive Ordnung der permanenten magnetischen Momente verantwortlich ist. Die entsprechenden Felder liegen bei der Austauschwirkung bei 400-2000 Tesla, während die der Anisotropie bei etwa 0,01 bis 10 T liegen.

Ursachen

Grundsätzlich hat die magnetische Anisotropie ihre Ursachen in zwei physikalischen Wechselwirkungen :

1.) Dipol-Dipol Wechselwirkung

i) Formanisotropie, ii) Kristallanisotropie (in höherer Ordnung von dipolaren Wechselwirkungen bestimmt)

2.) Spin-Bahn-Kopplung

i) Kristallanisotropie, ii) Oberflächenanisotropie

Anwendungen und Bedeutung in der Praxis

Herausragende Bedeutung hat die Erforschung der magnetischen Anisotropie in der Entwicklung neuer Festplatten. Immer schnellere Zugriffszeiten und insbesondere immer höhere Speicherdichten werden in näherer Zukunft an das sogenannte "paramagnetische Limit" (siehe dazu Mooresches Gesetz) führen. Die magnetische Anisotropie kann beispielsweise gezielt dazu eingesetzt werden, um die Stabilität der "Bits" zu erhöhen, die sich bei kleiner werdenden Dimensionen gegenseitig beeinflussen können; Informationsverlust ist die Folge.

Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang die magnetische Dünnschichttechnologie.