BAHAN ANTIFERROMAGNETIK

1. Bahan Antiferromagnetik

Bahan antiferromagnetik pertama kali ditemukan pada tahun 1938 oleh

Bizette, Squire, dan Tsai ketika bekerja menggunakan Mangan Oksida yang

memiliki temperatur Curie dari 116 K hingga 120 K. Namun Neel dan Bitter

telah mempresentasikan lebih awal mengenai bahan antiferromagnetik secara

teoritis, dan Van Vleck pertama kali mendapatkan treament paling detail

mengenai hal ini. [1] Bahan yang menunjukkan sifat antiferromagnetik,

momen magnetik atom atau molekul, biasanya terkait dengan spin elektron

yang teratur dalam pola yang reguler dengan tetangga spin (pada sublattices

berbeda) menunjuk ke arah yang berlawanan. Hal ini seperti ferromagnetik dan

ferrimagnetik, suatu bentuk dari keteraturan magnet. Umumnya, keteraturan

antiferromagnetik berada pada suhu yang cukup rendah, menghilang pada dan

diatas suhu tertentu. Suhu Neel adalah suhu yang menandai berubahan sifat

magnet dari antiferromagnetik ke paramagnetik. Diatas suhu Neel bahan

biasanya bersifat paramagnetik.

Pada bahan antiferromagnetik terjadi peristiwa kopling momen magnetik

diantara atom – atom atau ion ion yang berdekatan. Peristiwa kopling tersebut

menghasilkan terbentuknya orientasi spin yang antiparalel. Berikut ini adalah

ilutrasinya.

Gambar 1 : Skema susunan spin spin pada bahan antiferromagnetik.

Magnitude untuk setiap momen magnetik bernilai sama dengan arah spin yang

saling milberlawanan (antiparalel)

Berikut ini adalah peristiwa kopling pada bahan antiferromagnetik.

Contohnya pada senyawa MnO. Ikatan pada MnO merupakan ikatan ionik,

Ion Mn2+ berisi lima elektron 3d, Ion-ion O2- memiliki kulit elektron yang terisi,

hibridisasi hanya dapat ditempati oleh donor elektron dari ion O2- kedalam

orbital yang kosong dari ion Mn2+.. Maka, karena semua orbital Mn berisi

sebuah elektron spin-up, ikatan hanya terjadi jika oksigen terdekatnya

mendonorkan elektron spin-downnya.

Gambar 2 : Peristiwa Kopling Bahan Antiferromagnetik [4]

2. Difraksi Neutron

Salah satu cara untuk menentukan momen magnetik secara klasik adalah

dengan menggunakan refleksi neutron atau difraksi neutron. Difraksi neutron

merupakan lenturan yang terjadi pada neutron yang dianggap sebagai

gelombang dengan riak gelombang yang diberikan oleh rumus de broglie,

gejala yang terkait dengan proses interferensi yang muncul bila neutron

dihamburkan oleh atom didalam zat padat, zat cair atau gas, juga disebut

pelenturan neutron. Proses ini memungkinkan suatu teknik untuk meneliti

fenomena zat padat . prinsip kerjanya, Sumber proton ditembakkan pada atom

berat, terjadi reaksi inti yang menghasilkan 20-30 neutron yang kemudian

mengenai sampel. Ada dua macam interaksi yang terjadi pada hamburan

neutron oleh atom yaitu interaksi antara neutron dengan inti atom dan

interaksi antara momen magnet elektron dengan momen magnet spin dan

momen magnet orbital atom. Interaksi yang kedua ini telah memberikan

informasi yang berharga mengenai bahan antiferomagnetik dan ferimagnetik.

Interaksi neutron dengan inti atom memberikan pola difraksi yang berlawanan

dengan hasil difraksi sinar X. Sinar X yang berinteraksi dengan elektron luar

inti, tidak sesuai untuk menyelidiki unsur-unsur ringan (seperti hidrogen),

sedangkan neutron menghasilkan pola difraksi atom-atom tersebut karena

berinteraksi dengan inti. Interaksi neutron dengan materi yang mungkin terjadi

adalah

1. Hamburan neutron elastis: memberikan dua tipe puncak difraksi.

2. Hamburan inkoheren: besarnya hamburan tergantung pada orientasi antara

spin inti dengan spin neutron.

3. Hamburan neutron inelastis: hamburan koheren yang menghasilkan pola-

pola difraksi dengan interferensi.

Keuntungan difraksi neutron dibandingkan difraksi sinar X:

Sangat sensitif untuk atom ringan.

Pola neutron dapat membedakan isotop atom yang berbeda sedangkan pola

sinar X tidak dapat.

Difraksi neutron memberikan kontribusi dalam penelitian material

magnetik.

Kelemahan:

Memerlukan sumber neutron yang mempunyai fluks yang besar.

Neutron yang tidak bermuatan listrik, menjadikannya lebih sulit untuk

mendeteksi daripada sinar-x yang terionisasi. Oleh karena itu, pertama-

tama neutron harus diionkan terlebih dahulu. [3]

Contoh MnO yang memiliki struktur seperti NaCl. Bahan MnO dibuat ke

dalam keadaan dua suhu yang berbeda yaitu pada suhu 80o K dan satu lagi

pada suhu 293o K. Dengan cara yang klasik ini akan diamati refleksi pancaran

neutron yang terjadi pada setiap kisi dengan sudut hamburan tertentu. Dari

informasi – informasi yang didapatkan, nantinya akan diperoleh besar

konstanta kisi dan bentuk kisi dari bahan magnet tersebut. Pada suhu 80o K

dapat diklasifikasikan dengan hubungan unit sel berupa kubik dengan

konstanta kisi sebesar 8,85 Å. Sedangkan pada suhu 293o K refleksi memberi

informasi bahwa unit sel berbentuk FCC dengan konstanta kisi sebesar 4,43

Å. Tetapi dengan sinar X-ray baik pada suhu 80o K dan 293o K diperoleh

konstanta kisi yang sama yaitu 4,43 Å, tetapi pada suhu 80o K, ion Mn2+

tersusun secara non ferromagnetik. Bila tersusun secara ferromagnetik

seharusnya terjadi nilai refleksi yang sama. Dari data tersebut dapat dijelaskan

bahwa spin pada single plane [1 1 1] adalah paralel, tetapi yang bersebelahan

dengan daerah single plane tersebut adalah antiparalel. Susunan spin tetap

dengan hasil difraksi neutron dan dengan pengukuran magnetik. Oleh karena

itu bahan MnO merupakan antiferromagnetik. Spin antiferromagnetik akan

tersusun antiparalel dengan momen magnet total bernilai nol pada suhu

dibawah Temperatur Neel.

Semua bahan magnetik baik itu paramagnetik, ferromagnetik ataupun

antiferromagnetik akan memiliki nilai suseptibitas yang bergantung pada

konstanta Currie. Bila diketahui berapa besar konstanta Currie pada suatu

bahan antiferromagnetik, maka dapat diperkirakan besar Temperatur Neel

bahan dengan menggunakan pendekatan :

T = μ . C

Konstanta Currie merupakan nilai properti material yang menggambar

kebergantungan suseptibilitas magnetik dengan temperatur.[2]

3. Suseptibilitas Bahan Antiferromagnetik (χ)

Suseptibilitas bahan antiferromagnetik dapat ditentukan dengan

menggunakan temperatur Neel.

Gambar 3 : Skema susunan spin – spin pada bahan antiferromagnetik yang

dibagi menjadi sublattice A dan sublattice B

Dimulai dari persamaan untuk mencari nilai suseptibilitas pada bahan

ferromagnetik, yaitu :

Berbeda dengan bahan ferromagnetik, untuk antiferromagnetik konstanta

Currie pada sublattice A dan sublattice B adalah sama nilainya (CA = CB),

sehingga persamaan suseptibilitasnya menjadi :

Selain itu kita juga dapat menghitung nilai suseptibilitas antiferromagnetik

dengan hubungan temperatur Currie paramagnetik yaitu :

Dimana , dan θp merupakan temperatur Currie paramagnetik,

N1 merupakan konstanta medan molecular intrasublattice, N2 merupakan

konstanta medan molecular intersublattice. Dimana molecular intrasublattice

tersebut diperoleh dari magnetisasi dari tiap layer/sublattice, untuk kasus

antiferromagnetik diketahui bahwa magnetisasi pada sublattice A sama dengan

magnetisasi pada sublattice B.

Pada kenyataannya nilai dari temperatur Currie paramagnetik tidak sama

dengan temperatur Neel (θp≠TN).

Pertama yang perlu kita ketahui yaitu N1>0 dan N2<0, dari pernyataan

tersebut dengan mengamati kedua persamaan diatas dapat diambil kesimpulan

bahwa θp<TN. Dan satu hal lagi yang perlu diketahui juga bahwa dalam

material antiferromagnetik konstanta medan molecular intersublattice lebih

besar dari konstanta medan molecular intrasublattice (|N1| > N2).

Pada keadaan kristalin seringkali salah satu arah kristalografik ditemukan

pada daerah yang momen magnetik atomiknya memiliki energi yang lebih

rendah daripada arah yang lainnya, yang sering kita sebut sebagai arah

magnetisasi sederhana (easy magnetization direction).

Untuk yang arah medan aplikasinya tegak lurus terhadap easy

magnetization direction, maka besar magnetisasi yang terjadi yaitu :

Dimana

Namun bila medan aplikasi membentuk sudut α terhadap easy magnetization

direction, maka besar magnetisasi yang terjadi menjadi :

[2]

Pada saat suhu Neel, nilai suseptibilitas bahan antiferromagnetik adalah

maksimum karena suseptibilitas pada bahan antiferromagnetik bergantung

pada arah sudut magnetisasi, terdapat dua arah orientasi suseptibilitas yang

mungkin terjadi pada kristal bahan anti ferromagnetik yaitu :

Medan tegak lurus magnetisasi : Suseptibilitas bernilai konstan dibawah

temperatur Neel.

Gambar 4 : medan tegak lurus magnetisasi

Medan paralel terhadap magnetisasi : Suseptibilitas cenderung bernilai nol

pada 0 K, karena pada 0 K subkisi secara sempurna tidak sejajar (anti-aligned),

dan tidak adanya fluktuasi termal.

Gambar 5 : Medan paralel terhadap magnetisasi

suseptibilitas diperoleh dengan merata-ratakan semua kemungkinan orientasi.

Pada suhu Neel, suseptibilitas sejajar dan tegak lurus magnetisasi memiliki

nilai sehingga suseptibilitas totalnya bernilai maksimum, seperti yang

ditunjukkan kurva dibawah ini. [4]

Gambar 6 : Kurva suseptibilitas bahan antiferromagnetik

4. Hubungan Antara Antiferromagnetik dengan Sifat Magnet Lain

Bahan antiferromagnetik dan bahan diamagnetik memiliki spin yang

antiparalel atau berlawanan arah. Pada umumnya, bahan diamagnetik

merupakan sebuah unsur, sehingga spinnya yang acak merupakan bawaan

alamiah unsur tersebut, sedangkan pada antiferromagnetik bahannya berupa

senyawa, spin yang antiparalel disebabkan oleh dua atom yang terkopling.

Bahan antiferromagnetik memiliki perubahan fasa sifat magnet, ketika

bahan antiferromagnetik berada dibawah suhu Neel, maka ia akan bersifat

sebagai antiferromagnetik. Sedangkan ketika berada diatas suhu Neel maka

sifatnya akan berubah menjadi bahan paramagnetik.

Bahan antiferromagnetik dapat diubah menjadi bahan paramagnetik hanya

dengan menaikan suhu sampai diatas suhu Neelnya. Sedangkan bahan

paramagnetik, jika ingin diubah menjadi bahan antiferromagnetik tidak hanya

dengan menurunkan suhunya sampai dibawah suhu Neel, namun harus

memperhatikan bahannya juga, apabila senyawa maka hanya dengan

diturunkan suhunya maka dapat berubah menjadi antiferromagnetik,

sedangkan jika bukan senyawa maka tidak cukup jika hanya diberikan

perlakuan suhu.

Bahan antiferromagnetik juga dapat dibuat dari bahan ferromagnetik, yaitu

dengan cara menjadikan bahan ferromagnetik menjadi senyawa oksida atau

sulfida. Contohnya Ni2O3. Berikut ini adalah kurva yang menggambarkan

hubungan sifat bahan bahan magnet.

Gambar 7 : kurva suseptibilitas terhadap suhu berbagai sifat bahan magnet

5. Kromium (Cr)

Contoh bahan antiferromagnetik adalah senyawa- senyawa oksida, dan

senyawa sulfida. Kebanyakan bahan antiferromagnetik adalah senyawa, namun

ada satu unsur yang memiliki sifat antiferromagnetik yaitu Kromium.

Kromium sebagai bahan antiferromagnetik disebabkan karena memiliki dua

keistimewaan yaitu :

spin-density waves pada Fermi surface

first-principles total-energy calculations on bcc Cr

Hal ini menunjukkan bahwa dua sifat khusus dari Cr diperlukan untuk

menjelaskannya antiferromagnetisme. Salah satu properti khusus adalah

kepekaan dikenal antiferromagnetik gelombang spin-density karena bersarang

dari permukaan Fermi. Sebuah properti khusus kedua baru datang dari

pertama-prinsip perhitungan jumlah energi pada bcc Cr, yang menunjukkan

bahwa, meskipun terendah keadaan energi adalah bukan magnetik, ekspansi

kecil kisi membawa transisi orde kedua ke fase antiferromagnetik tipe-I dengan

cepat naik momen lokal. Sifat gabungan menyediakan mekanisme untuk

stabilisasi keadaan dasar antiferromagnetik tidak biasa, karena gelombang

spin-density yang memodulasi saat fase antiferromagnetik dapat digunakan

untuk mengkompensasi energi regangan dari ekspansi kisi. Mekanisme

gabungan ini juga menjelaskan berbagai properti dari Cr, seperti sensitivitas

besar antiferromagnetisme untuk tekanan. Berikut adalah gambar yang

menggambarkan spin-density waves. [5]

Gambar 8 : spin-density waves chromium

6. Aplikasi Bahan Antiferromagnetik

Terdapat beberapa aplikasi dari bahan antiferromagnetik yaitu :

a. Salah satu aplikasi bahan antiferromagnetik adalah untuk media

pengimpanan magnetik. Hal ini didasari oleh beberapa alasan sebagai

berikut :

1. Penyimpanan magnetik bergantung pada orientasi balikan/putaran spin

dalam bahan magnetik, dan ini bergantung pada batas – batas bahan.

Namun para peneliti telah menunjukkan bahwa merek dapat

memanfaatkan berbagai jenis bahan magnetik untuk mempercepat

kecepatan tulis, meskipun perubahan dalam orientasi magnetik

mengambil jumlah waktu yang sama. Pada umumnya, teknologi hard

drive berdasarkan pembalikan orientasi pada bahan magnet. Ketika

medan aplikasi diberikan pada bahan magnet, maka spin elektron akan

mulai berputar. Kecepatan presesi dan waktu yang dibutuhkan untuk

flip spin elektron sebanding dengan kekuatan medan magnet. Medan

aplikasi yang lebih besar menyebabkan spin lebih cepat berputar untuk

presesi. Namun demikian, medan aplikasi yang terlalu besar dapat

merusak keteraturan spin magnet (merusak magnet).

2. Seperti yang telah diketahui, bahan antiferromagnetik memiliki dua

kelompok atom (spin). Spin – spin tersebut memiliki besar yang sama

tetapi memiliki arah yang berbeda. Putaran/getaran spin pada

antiferromagnetik berperilaku seperti memiliki inersia, yang berarti

walaupun medan aplikasi tidak ada lagi, spin masih tetap berosilasi dan

berputar. Dinamika material dapat diamati dengan memvariasikan

waktu antara pulsa magnetik dan pengukuran pulsa. Flip spin

memerlukan waktu beberapa picosecond, sedangkan spin terus

berosilasi di sekitar orientasi baru untuk sekitar 100 picoseconds ketika

medan aplikasi dihilangkan. Ini adalah sesuatu yang tidak pernah

diamati pada ferromagnets dan hanya bisa terjadi jika spin memiliki

semacam inersia dan waktu yang diperlukan untuk spin melakukan flip.

Kelebihan ini menyebabkan medan magnet aplikasi hanya perlu

diberikan untuk 100 femtosekon pertama yang akan menyebabkan

kecepatan menulis bisa jauh lebih cepat.[2]

b. Kegunaan bahan antiferromagnetik lainnya adalah digunakan sebagai katup

spin (spin valve), karena adanya fenomena yang dinamakan pertukaran

anisotropik (exchange anisotropy) atau kopling exchange-bias. Exchange

anisotropy pertama kali di teliti lebih dari 50 tahun yang lalu dalam sebuah

partikel single domain (berdiameter 100 -1000 A) Co (bahan

ferromagnetik) yang dilapisi dengan antiferromagnetik CoO, seperti pada

gambar dibawah ini.

Gambar 3 : Skema dari partikel core-shell yang berisi inti ferromagnetik

Co, dengan kulit antiferromagnetik CoO disekelilingnya.

Sampel Co/CoO tersebut, didinginkan pada medan nol, dan memiliki

histerisis normal, mengingat bahwa sampel field-cooled yang telah

diobservasi sebelumnya memiliki loop hysterisis (shifted hysterisis loop),

seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4 : skema loop hysterisis pada sebuah sistem dengan pertukaran

anisotropy

Secara keseluruhan, koersivitas dinaikkan dan dibandingkan dengan sampel

zero fieldcooled. Dan magnitudenya berbeda untuk medan yang dinaikkan

dan diturunkan. Perbedaan koersivitas dari medan forward (maju) dan

reverse (balik) diaplikasikan pada sistem exchange-bias yang digunakan

pada aplikasi katup-spin (spin valve) modern untuk meletakkan arah

magnetisasi dari lapisan ferromagnetik. Lapisan yang diletakkan tersebut

dikopling kepada lapisan ferromagnetik kedua yang dapat merubah

orientasi mgnetisasinya dalam respon terhadap medan luar. Resistansi dari

devais bernilai kecil jika lapisan ferromagnetik disejajarkan pada arah yang

sama, dan bernilai tinggi jika mereka disejajarkan pada arah yang

berlawanan. Oleh karena itu, devais tersebut dapat digunakan sebagai

sensor medan magnetik sensitif.[1]

c. Bahan antiferromagnetik Kromium (Cr)

1. Digunakan untuk mengeraskan baja, untuk pembuatan stainless steel,

dan untuk membentuk paduan

2. Digunakan dalam plating untuk menghasilkan permukaan yang indah

dan keras, serta untuk mencegah korosi.

3. Digunakan untuk memberi warna hijau pada kaca zamrud.

4. Digunakan sebagai katalis. seperti K2Cr2O7 merupakan agen oksidasi

dan digunakan dalam analisis kuantitatif dan juga dalam penyamakan

kulit

5. Merupakan suatu pigmen, khususnya krom kuning

d. Bahan antiferromagnetik senyawa oksida

Digunakan untuk bahan gading tiruan, obat penyakit mag, dan pelapis

tanur.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Nicola A Spaldin.2010.Magnetic Materials Fundamental and Applications

2nd Edition. Cambrige : Cambridge University Press.

[2] Risdiana.2012.Buku Diktat Bahan Magnet dan Superkonduktor.Bandung :

Jurusan Fisika Universitas Padjadjaran.

[3] http://ardiannisworld.blogspot.com/2008/01/difraksi-neutron_31.html (diunggah pada tanggal 24 November, pukul 18 : 09)

[4] Riza.Antiferromagnetik. Universitas Padjadjaran.ppt

[5] Oleg Shpyrko.XPCS Studies of Antiferromagnetic Domain Wall Dynamics in Elemental Chromium. University of California San Diego : Departement Of Physics.pdf

BAHAN ANTIFERROMAGNETIK

Paper Ini Disusun Untuk

Memenuhi Tugas Mata Kuliah Bahan Magnet dan Superkonduktor

Disusun Oleh :

Dwika Andjani

140310100083

JURUSAN FISIKA

FALKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN

2013