Спінова природа феромагнетизму.

Було встановлено, що магнітні моменти атомів феромагнетиків такого ж порядку, як і магнітні моменти атомів парамагнетиків. Однак магнітна індукція в феромагнітних матеріалів навіть у слабих магнітних полях досягає декількох теслів, тоді як в парамагнетиках в таких же полях вона не перевищує 10^–5 Тл.

Щоб пояснити таке інтенсивне намагнічування феромагнетиків Б.Розінг і П.Вейс висунули припущення (1907 р.), що в феромагнетиках існує внутрішнє молекулярне поле, під впливом якого вони навіть у відсутності зовнішнього магнітного поля намагнічуються до насичення. Зовні така спонтанна намагніченість не проявляється, так як тіло складається з окремих мікрообластей. В кожній з них магнітні моменти атомів розміщені паралельно один одному, але орієнтовані хаотично один відносно одного, внаслідок чого результуючий магнітний момент феромагнетика стає рівним нулю. Такі області спонтанної намагніченості називають магнітними доменами.

Ідея існування молекулярного поля дозволила пояснити ряд явищ, які спостерігаються у феромагнетиках, однак природа цього внутрішньо внутрішньо­молекулярного поля залишалась незрозумілою. Не зрозуміло було також і те, які магнітні моменти атомів відповідальні за феромагнетизм – орбітальні чи спінові. Лише в 1915р. дослідами Айнштайна і де Гааза, Барнета, Йоффе і Капиці було доведено, що феромагнетизм зумовлений спіновими магнітними моментами атомів, спіновими магнітними моментами електронів, не скомпенсованими в атомах. Під дією яких сил спінові магнітні моменти електронів встановлюються упорядковано (паралельно або антипаралельно)? Ця взаємодія між спінами є немагнітної природи; спін – спінова взаємодія магнітних моментів спінів на два порядки менша енергії теплового руху атомів ґратки при звичайних температурах, а отже не може забезпечити магнітний порядок. Згідно з Френкелем і Гайзенбергом області спонтанної намагніченості у відсутності зовнішнього магнітного поля виникають у результаті квантової обмінної взаємодії електронів внутрішніх незавершених оболонок атомів.

Обмінна взаємодія проявляється в тих випадках, коли помітно “перекриваються” хвильові функції окремих частин системи, тобто коли існують області простору, в яких зі значною ймовірністю може перебувати частинка в різних станах руху. Ефективно вона починає проявлятися, коли середня відстань між однаковими частинками стає порівняною (або меншою) з довжиною хвилі де Бройля. Для ферміонів вона є наслідком принципу Паулі, який перешкоджає зближенню тотожних частинок з однаковим напрямком спінів і ефективно проявляється як відштовхування їх одну від одної на відстанях порядку довжини хвилі де Бройля. Якщо ці частинки знаходяться в зовнішньому полі, то існування визначеної симетрії хвильової функції і відповідно визначена кореляція руху частинок впливає на їх енергію в цьому полі, що також є обмінним ефектом.

Магнітна анізотропія

У монокристалах може спостерігатися неоднаковість властивостей у різних кристалографічних напрямах – магнітна анізотропія. Вона виникає внаслідок анізотропного характеру магнітної взаємодії між атомами і взаємодії їх електронів з електричними полями всередині кристала, які виникають через те, що на малих міжатомних відстанях поля, утворені додатними і від’ємними зарядами, не скомпенсовані. Особливо велика магнітна анізотропія у феромагнетиках.

Вище було сказано, що енергія взаємодії електронів у феромагнетику залежить лише від того, паралельні чи антипаралельні спінові моменти сусідніх атомів кристала. Але насправді обмінна (спін-орбітальна) взаємодія залежить також від того, як напрямлені ці спінові моменти відносно кристалографічних осей. У кристалі існують напрями орієнтації магнітних моментів з мінімальною обмінною енергією, які називаються осями легкого намагнічування (ОЛН) і напрями з максимальною обмінною енергією, так звані осі важкого намагнічування (ОВН).

Мірою магнітної анізотропії для даного напрямку в кристалі є робота намагнічування зовнішнього магнітного поля, необхідна для повороту вектора із положення вздовж ОЛН (в доменах і за напрямом збігається з ОЛН) в нове положення вздовж зовнішнього поля. Ця робота при постійній температурі визначає вільну енергію магнітної анізотропії U_ма для даного напряму.