Природа магнетизма

Магнитные кластеры представляют особый интерес в связи с развитием наноэлектроники. Исследование магнитных кластеров, переходной ступеньки от атомов к макроскопическому телу, позволяет понять, как формируются его магнитные свойства из магнитных свойств отдельных атомов.

Магнитные явления в веществе имеют квантовую природу. Если бы в природе не было квантовых явлений, не существовало бы магнетизма во всех его проявлениях. Последствия этого трудно себе представить в полной мере.

У электронов есть особая квантовая характеристика - спин, определяющая его механический и магнитный момент и принимающая значения +1/2 и -1/2. Спины электронов в атоме складываются и определяют суммарный магнитный момент, который может оказаться как нулевым, так и отличным от нуля.

Суммарным магнитным моментом обладают также ядра атомов, образованные протонами и нейтронами.

Д ругой элементарный магнитный момент связано круговым движением электрона вокруг ядра. Он возникает аналогично магнитному моменту замкнутого контура по которому течет ток. На первый взгляд природу этого магнитного момента можно объяснить в рамках классической физики. Однако следует вспомнить, что само по себе устойчивое движение электронов вокруг ядра - эффект квантовый.

Рис. 3.1. Изменение ориентации атомных магнитных моментов парамагнетика под действием магнитного поля: а - магнитные моменты в отсутствие магнитного поля; б, в - система магнитных моментов в присутствии магнитного поля (в соответствует более высокой температуре)

В макроскопических телах магнитные свойства отдельных атомов проявляются сложным образом, они не просто складываются.

Внешнее магнитное поле с магнитной индукцией стремится упорядочить элементарные магнитики - магнитные поля атомов или электронов - в твердом теле , выстроить их по полю так, чтобы энергия системы была наименьшей. Если бы не было теплового движения, то все элементарные магнитики были бы ориентированы по полю (рис. 3.1, а) и суммарный магнитный момент был бы максимально возможным и равным

где μ- элементарный магнитный момент одного магнитика, N - количество магнитиков, равное числу атомов.

Одинаково из-за беспорядочного (теплового) движения атомов магнитики имеют дополнительную кинетическую энергию, способствующую их перемешиванию. Таким образом, некоторые магнитики оказываются ориентированы против поля (рис. 3.1, б, в). Они имеют большую потенциальную энергию, чем выстроившиеся по полю, подобно тому, как поднятый над землей камень имеет большую энергию, чем камень, лежащий на земле. Разность (N₊ - N_) числа магнитиков, ориентированных по и против поля, определяет степень намагниченности вещества. Суммарный магнитный момент равен

Поскольку N₊>N_(всегда), то суммарный магнитный момент направлен по полю, и такое явление называют парамагнетизмом.

Очевидно, что чем выше температура тела, тем интенсивнее тепловое движение, разрушающее порядок построения магнитиков по полю, больше N_ и меньше результативная намагниченность (см. рис. 3.1, б, в).

Магнитные моменты, связанные с движением электронов вокруг ядра, - орбитальные моменты - проявляют себя во внешнем поле иначе. Возникает эффект, аналогичный электромагнитной индукции при внесении кругового тока в магнитное поле. Индуцированный магнитный момент всегда направлен против поля, и твердое тело демонстрирует суммарную намагниченность с моментом, направленным против внешнего магнитного поля и не зависящим от температуры. Это явление называют диамагнетизмом.

Самым сложным образом ведут себя элементарные магнитные моменты в некоторых твердых телах, в которых возникает магнитная упорядоченность без внешнего магнитного поля. За счет особого внутреннего обменного взаимодействия, также описываемого только квантовой физикой, соседние магнитики могут ориентироваться в одну сторону, как в ферромагнетике (рис. 3.2, а), или в противоположную, как в антиферромагнетике и ферримагнетике (рис. 3.2, б, в). В двух последних случаях соседние противоположно направленные магнитные моменты компенсируют друг друга целиком или частично. Их взаимодействие заменяет внешнее магнитное поле, и процесс самоорганизации аналогичен самоорганизации атомов в кристалле. Только самоорганизация атомов в кристалле приводит к позиционной упорядоченности, а самоорганизация магнитных моментов - к ориентационной.

У порядоченность магнитных моментов за счет внутреннего поля также разрушается тепловым движением. При некоторой температуре, которую называют температурой Кюри (Т_к), порядок полностью разрушается. При температурах выше Т_к упорядоченность может возникать только за счет внешнего поля, твердое тело при этом является парамагнетиком.

В реальном макроскопическом кристалле из соображений минимальности общей энергии магнитная структура распадается на отдельные области, домены, в каждом из которых направление магнитиков одинаково. При помещении кристалла во внешнее магнитное моле границы доменов смещаются. На рисунке 3 цветной вклейки приведены фотографии магнитных доменов, полученных с помощью магнитного сканирующего микроскопа. Наличие доменной структуры осложняет проявление магнитных свойств, делает их менее прогнозируемыми.