§4. Спиновая природа ферромагнетизма

Многочисленные опыты (Эйнштейна и де Гааза, Иоффе и Капицы, Барнета) с несомненностью доказали,что для ферромагнетиков гиромагнитное отношение равно е/m_e,что характерно для спиновых моментов.

Два слова об этих опытах: суть их очень проста, а именно, если намагнитить свободно подвешенный стержень (рис.35) или наоборот, размагнитить цилиндрический постоянный магнит, то стержень придет во вращение. По углу закручивания нити подвеса можно определить p_m/L, что и было сделано с известным же результатом. Т.о. ферромагнетизм имеет спиновую природу.

Действительно, к ферромагнетикам относятся некоторые вещества группы железа (Fe, Co и Ni), а также ряд редкоземельных элементов (Gd, Dy, Er). Все перечисленные элементы имеют недостроенную внутреннюю оболочку. Например, атом железа имеет в 3d-подоболочке всего шесть электронов, причем спины у пяти из них ориентированы одинаково, а у шестого – в противоположную сторону. Это обычно изображают так: . Поэтому каждый атом железа имеет магнитный момент, равный четырем магнетонам Бора (точнее говоря, ). Электроны железа, находящиеся на внешней оболочке 4s обобществляются и не вносят вклада в магнитный момент. Это – одна из причин ферромагнетизма.

Вторая заключается в следующем: вследствие обменного взаимодействия (Ландау, Лифшиц, 1935 год) в объеме ферромагнетика энергетически выгодно образование спонтанно-намагниченных областей – доменов. Размеры доменов порядка 110 мкм, в них содержится примерно 10¹⁰ атомов. Поэтому каждый домен создает магнитное поле порядка 1 Тл. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы «хаотически», и результирующая намагниченность равна нулю. При температурах выше критической (точка Кюри) домены разрушаются.

Однако, не все вещества с недостроенными оболочками, атомы которых обладают результирующим спиновым магнитным моментом, являются ферромагнетиками. Существует и другая разновидность – антиферромагнетики, в кристаллах которых энергетически выгодна антипараллельная ориентация магнитных моментов. Расчеты показывают, что все зависит от характерных размеров кристаллической решетки. На рис.36 изображены линейные модели ферро- и антиферромагнетиков (каждая стрелочка изображает атомный магнитный момент).

Существуют также нескомпенсированный антиферромагнетизм, свойственный кристаллам, состоящим из разнородных атомов – это так называемый ферримагнетизм. Типичным примером таких веществ являются ферриты MeOFe₂O₃, где Me – любой двухвалентный металл. Они сильные магниты, но не имеют электропроводности (рис.37).

Краткие выводы.

К чистым полупроводникам относятся кристаллы, у которых заполненная энергетическая зона отделена от пустой сравнительно узкой запрещенной зоной ширины ~ 1 эВ.

Добавление в чистый полупроводник 3- или 5-валентных примесей резко увеличивает проводимость кристалла.

Ферромагнетизм имеет спиновую природу; области спонтанной намагниченности (домены) возникают в результате обменного взаимодействия.