Magnetische Anisotropie

MagnetischeAnisotropiebeschreibt die Tatsache, dass magnetische Materialien eineVorzugsrichtungoderVorzugsebenefür dieMagnetisierungaufweisen können. Das Maß dafür ist die magnetische Anisotropieenergie, die als dieArbeitdefiniert ist, die benötigt wird, um die Magnetisierung einesgeschlossenen Systems(kein Teilchenaustausch) aus der „leichten Richtung “(der Vorzugsrichtung) herauszudrehen.

Die magnetische Anisotropie bewirkt die Kopplung der Magnetisierung an dasKristallgitterund ist z. B. dafür verantwortlich, dass sich eineMagnetnadeldreht (und damit der Ausrichtung desSpin-Gitters folgt).

Formen

Es gibt verschiedene Formen der magnetischen Anisotropie:

• magnetokristalline Anisotropie der Kopplung von Magnetisierung und Kristallgitter (oben beschrieben)
• Formanisotropie beruht auf der Änderung der Form des Körpers
• magnetoelastische Anisotropie beruht auf der elastischen Spannung
• 1956 wurde ein neuer Effekt entdeckt (Exchange Bias,auch unidirektionale Austausch-Anisotropie),der eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung in einem Ferromagneten aufgrund der Wechselwirkung mit einem benachbartenAntiferromagnetenbewirkt und Anwendungen in Leseköpfen von Festplatten hat, die auf dünnen ferromagnetischen Schichten beruhen (Nutzung z. B. desGMR-Effekts).
• Grenzflächenanisotropie in magnetischendünnen Schichten.

Beispiele

• Formanisotropie:Bei einemeinkristallinenEisenzylinder, dessen Länge wesentlich größer als dessen Radius sei, verbleibt die Magnetisierung vorzugsweise in Richtung der Längsachse. Das ist eine so genannteleichteRichtung (englisch:easy axis). Hier ist die Anisotropie im Wesentlichen durch die Form der Probe bestimmt.

Formanistropie bei dünnen Schichten: Die gestrichelten Linien stellenBloch-Wändedar, die roten Striche die magnetische Ausrichtung der Domänen.

• ferromagnetischedünne Schichten:Deren Magnetisierung zeigt nicht aus der Oberfläche heraus, da diemagnetische Leitfähigkeitvon Luft viel schlechter ist. Auch sind diemagnetischen Domänenim Gleichgewicht und im Idealfall (d. h. einkristalline Schicht ohne Defekte) derart ausgerichtet, dass möglichst wenig Magnetfeldlinienaus der Schicht herauszeigen, siehe Grafik.
• Kristallanisotropie(englisch:crystalline anisotropy): Eine einkristalline Eisenkugel hat trotz ihrerisotropenForm ebenfalls Vorzugsrichtungen der Magnetisierung. Das ist auf die innere Struktur zurückzuführen.

Erläuterung

Das Auftreten der magnetischen Anisotropie ist auf den ersten Blick überraschend. DieAustauschwechselwirkung,die für die kollektiveOrdnung der magnetischen Momenteverantwortlich ist, ist nämlichisotrop,ebenso wie derHeisenbergsche Spin-Hamiltonoperator(alsSkalarprodukt).

Magnetische Anisotropie ist jedoch Erfahrungstatsache. EinethermodynamischeBetrachtung führt zur Dichte derGibbs'schen freien Energie(einphänomenologischerZugang, in dem Symmetriebetrachtungen eine leitende Rolle spielen) und damit zu den Termen, die die Anisotropie beschreiben; das wurde zuerst vom russischen PhysikerAkulow(1900–1976) durchgeführt.

Die spontane Magnetisierung ist isotrop, d. h. für alle Richtungen gleich groß. Das 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. derCurie-Punktist isotrop.

Auftreten

Allerdings kann, je nach Richtung, ein unterschiedlichesMagnetisierungsverhaltengemessen werden: Ein Eiseneinkristall erreicht seineSättigungsmagnetisierungrecht schnell, wenn er entlang seiner Würfelkanten magnetisiert wird; bei Magnetisierung entlang der Flächendiagonalen wächst die Magnetisierung langsamer.

Die magnetische Anisotropie kann durch dieMagnetisierungsarbeitgekennzeichnet werden. Beim Eisen ist die Magnetisierungsarbeit entlang der Würfelkanten am geringsten, diese Richtung wird alsleichte Richtungbezeichnet. Eisen hat drei leichte und vier schwere Richtungen (entlang der Raumdiagonalen). InKobaltdagegen sind eine leichte (die hexagonale Achse) und unendlich viele schwere Richtungen zu finden.

Die magnetische Anisotropieenergie beschreibt die mit der Orientierung der Magnetisierung verbundene Energie. Die Größe der magnetischen Anisotropieenergien liegen mehrere Größenordnungen unter denen der Austauschenergie, die für die spontane kollektive Ordnung der permanenten magnetischen Momente verantwortlich ist. Die entsprechenden Felder liegen bei der Austauschwirkung bei 400–2000Tesla,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
   • Formanisotropie,
   • Kristallanisotropie (in höherer Ordnung von dipolaren Wechselwirkungen bestimmt)
2. Spin-Bahn-Kopplung
   • Kristallanisotropie,
   • Oberflächenanisotropie.

Die Spin-Bahn-Kopplung spielt insbesondere bei der magnetokristallinen Anisotropie eine Rolle, was wegen deren geringer Größe im Vergleich etwa zur Austauschwechselwirkung Schwierigkeiten für die theoretische Ableitung der Anisotropie aus Modellen birgt.

Die Kristallanisotropie wird durchmechanische Spannungenbeeinflusst, dieser Effekt heißt auch inverseMagnetostriktion.

Anwendungen und Bedeutung in der Praxis

Herausragende Bedeutung hat die Erforschung der magnetischen Anisotropie in der Entwicklung neuerFestplatten.Immer schnellereZugriffszeitenund insbesondere immer höhereSpeicherdichtenwerden in näherer Zukunft an dassuperparamagnetische Limitführen (sieheMooresches Gesetz). An diesem Limit werden die einzelnen magnetischen Bereiche so klein, dass sie ihre Magnetisierung nicht dauerhaft stabil halten können. Die magnetische Anisotropie kann beispielsweise gezielt dazu eingesetzt werden, um die Stabilität derBitszu erhöhen (eine Überwindungsenergie, wie sie bei der Anisotropie vorhanden ist, bewirkt immer eine gewisse Stabilität des Systems), die sich bei kleiner werdenden Dimensionen gegenseitig beeinflussen können; letzteres hätte unerwünschteInformationsverlustezur Folge.

Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang die magnetischeDünnschichttechnologie.

Die positive magnetoelastische Anisotropie vonEisenwird genutzt, um oberflächennaheEigenspannungszuständein Eisenwerkstoffen und Stahlteilen mit demBarkhausenrauschenaufzufinden.

Weblinks

• Kilian LenzMagnetische Anisotropie und Dämpfungsmechanismen in ultradünnen 3D Ferromagneten: eine FMR Studie,Dissertation FU Berlin 2005(PDF-Datei; 3,98 MB)
• Peter MiltényiMikroskopischer Ursprung der Austauschkopplung in ferromagnetischen/antiferromagnetischen Schichten,Dissertation, Aachen 2000, mit Überblick über magnetische Anisotropien