Ferromagnetism

Ajalugu ja eristus ferrimagnetismist

Ajalooliselt on ferromagnetiks nimetatud iga materjali, millel oli omadus iseeneslikult magneetuda: summaarne magnetmoment välise magnetvälja puudumisel. See üldine definitsioon on siiamaani tavakasutuses. Viimasel ajal on kindlaks tehtud eri klassi iseeneslikku magnetiseerumist juhul, kui esineb rohkem kui üks magnetiline ioon elementaarraku kohta materjalis. Sellest tuleneb "ferromagnetismi" rangem definitsioon, mida kasutatakse ferrimagnetismist eristamiseks. Materjal on "ferromagneetik" täpsemas mõttes ainult, kui kõik magnetilised ioonid annavad positiivse panuse summaarsesse magnetiseerumisse. Kui osad magnetilised ioonid vähendavad summaarset magnetiseerumist (kui nad on osaliselt vastupidi suunatud), siis on materjal ferrimagneetik. Kui joondunud ja vastupidi joondunud ioonide momendid on täielikus tasakaalus, nii et summaarne magnetiseerumus oleks null olenemata magnetilisest korrastatusest, siis on aine antiferromagneetik. Need joondumise efektid toimuvad ainult allpool teatud kriitilist temperatuuri, mida kutsutakse Curie temperatuuriks (ferromagneetikute ja ferrimagneetikute puhul) või Neeli temperatuuriks (antiferromagneetikute puhul).
Ferromagnetismi uuringute aluseks on Aleksandr Stoletovi mõõtmised ferromagneetikute magnetilisest läbitavusest, tuntud kui Stoletovi kõver.

Gaasiline liitium

2009. aastal demonstreerisid MIT (Massachusettsi Tehnoloogiainstituut) füüsikud, et alla ühe kelvini jahutatud gaasiline liitium on ferromagneetik. Meeskond jahutas fermionilise liitium-6 alla 150 miljardiku kelvinist absoluutsest nullist kõrgemale, kasutades infrapuna laserjahutust. Katses demonstreeriti esimest korda gaasi, mis on ferromagneetik.

Seletus

Bohr-van Leeuweni teoreem näitab, et magnetism ei saa esineda puhtalt klassikalistes tahkistes. Ilma kvantmehaanikata poleks diamagnetismi, paramagnetismi ega ferromagnetismi. Ferromagnetismi omadused tulenevad otseselt kahest kvantmehaanika efektist: spinnist ja Pauli printsiibist.

Magnetismi päritolu

Elektroni üks fundamentaalomadustest (peale laengu) on dipoolmomendi omamine, ta käitub kui väike magnet. Dipoolmoment tuleneb kvantmehaanilise spinni omamisest. Spinni kvantmehaaniline iseloom laseb elektronil olla kahes olekus, kus magnetväli saab olla kas "üles" või "alla". Aatomis olevate elektronide spinn on peamine põhjus ferromagnetismiks, lisaks omab mõju tuuma ümber tiirlevate elektronide orbitaalide impulsimomendid. Kui elektronide magnetdipoolid joonduvad samas suunas, siis nende magnetväljad annavad kokku mõõdetava makroskoopilise välja.
Täidetud elektronkihiga materjalis elektronide summaarne dipoolmoment on null, sest spinnid on üles/alla paarides. Ainult osaliselt täidetud elektronkihtidega aatomid saavad omada summaarset magnetmomenti, seega ferromagnetism esineb ainult materjalides, millel on osaliselt täidetud elektronkihid. Hundi reeglist lähtuvalt esimesed elektronid elektronkihis omavad samasuunalist spinni suurendades summaarset dipoolmomenti.
Paaritud dipoolid (mida tihti kutsutakse "spinnideks", kuigi neil on tavaliselt impulsimoment olemas) joonduvad tavaliselt paralleelselt välise magnetväljaga, seda nähtust kutsutakse paramagnetismiks. Ferromagnetismi puhul on üks nähtus lisaks: dipoolid joonduvad iseeneslikult isegi välise välja puudumisel, põhjustades iseeneslikku magneetumist.

Elektronide vahetuse vastasmõju

Klassikalise elektromagnetismi järgi kaks lähestikust dipooli joonduvad vastupidistes suundades, selle tõttu magnetväljad on teineteise suhtes vastupidised ja tühistavad teineteist. See efekt on üksikute spinnide puhul väga nõrk, kuna üksikute spinnide tekitatud magnetväljad on nõrgad ja nendest põhjustatud liikumised on kergesti hävitatavad soojusliikumise poolt. Mõnedes materjalides on spinnide vahel olemas palju tugevam jõud, mis tuleneb spinni suuna muutumisel naaberelektronide vahelise elektrostaatilise tõukumise muutusest, mida põhjustab kvantmehaaniline efekt nimega elektronide vahetuse vastasmõju. Vahetuse vastasmõju on palju tugevam kui dipool-dipool magnetiline vastasmõju väikestel vahemaadel. Selle tõttu ferromagneetikutes lähedased spinnid kipuvad joonduma samas suunas.
Vahetuse vastasmõju on seotud Pauli printsiibiga, mis ütleb, et kaks sama spinniga elektroni ei saa omada sama asukohta. Seetõttu teatud tingimustes, kui mittepaardunud valentselektronide orbitaalid naaberaatomitel kattuvad, on paralleelsete spinnidega elektronide puhul elektriline laeng rohkem laiali jaotatud, kui vastassuunaliste spinnidega elektronide puhul. See vähendab paralleelsete spinnidega elektronide elektrostaatilist energiat võrreldes mitteparalleelsete spinnidega elektronidega, tänu sellele paralleelsete spinnidega elektronid on stabiilsemad. Teisisõnu tõukuvad elektronid saavad liikuda teineteisest "kaugemale" kui nad joondavad spinnid samas suunas, seetõttu nende elektronide spinnid joonduvad ühes suunas. Erinevust energias nimetatakse vahetusenergiaks.
Materjale, kus vahetuse vastasmõju on palju tugevam, kui võistlev dipool-dipool vastasmõju, kutsutakse tihti "magnetmaterjalideks". Näiteks rauas (Fe) on vahetuse vastasmõju umbes 1000 korda tugevam kui dipool-dipool vastasmõju. Seega peaaegu kõik dipoolid ferromagneetikus on joondunud alla Curie temperatuuri. Vahetuse vastasmõju põhjustab iseeneslikke aatomite magnetmomentide korrastumisi ka magnetilistes tahkistes, antiferromagnetismis ja ferrimagnetismis.
On erinevad vahetuse vastasmõju mehhanismid, mis tekitavad magnetismi erinevates ferromagnetilistes, ferrimagnetilistes ja antiferromagnetilistes ainetes. Nende mehhanismide hulka kuuluvad otsene vahetus, RKKY vahetus, topelt vahetus ja supervahetus.

Magnetiline anisotroopsus

Kuigi vahetuse vastasmõju joondab spinnid, siis ta ei joonda neid kindlas suunas. Ilma magnetilise anisotroopsuseta spinnid magnetis muudavad soojusliikumise tõttu suvaliselt suunda ja magnet on superparamagnetiline.
On mitut tüüpi magnetilist anisotroopsust, kõige tavalisem on magneetokristalliline anisotroopsus. See on energia sõltuvus magnetisatsiooni suunast kristallvõre suhtes. Teine tavaline anisotroopia põhjus on piesomagnetism, mida põhjustab sisemine pinge. Ühe-domeensetel magnetitel võib ka olla kuju anisotroopia, mida põhjustavad osakese kuju magnetostaatilised efektid. Temperatuuri tõustes magneti anisotroopia väheneb ja tihti esineb üleminekutemperatuur, kus magnet muutub superparamagneetikuks.

Magnetilised domeenid

Eelneva põhjal võiks öelda, et kõik ferromagneetikud peaksid omama tugevat magnetvälja, kuna kõik spinnid on joondunud, kuid raud ja teised ferromagneetikud on tihti "mittemagneetunud" olekus. Selle põhjuseks on ferromagneetikust materjali jagunemine väikesteks "magnetilisteks domeenideks".
Igas domeenis on spinnid joondunud, kuid kui ainehulk on madalamais energia olekus ehk mittemagneetunud, siis eraldi domeenide spinnid on joondunud eri suundades ja nende magnetilised välja tühistavad teineteist ning esemel ei ole summaarset tugevat magnetvälja.
Ferromagneetikutest materjalid iseeneslikult jagunevad domeenideks kuna vahetuse vastasmõju on väikse mõjualaga jõud, seega üle pikemate, mitme aatomiliste vahemaade, hakkab mõjuma dipool-dipool vastasmõju, mis vähendab energiat joondudes vastupidises suunas. Ferromagnetilise materjali ühes osas paralleelselt joondunud dipoolid tekitavad tugeva magnetvälja, mis ulatub ruumi nende ümber. See väli omab suurt magnetostaatilist energiat. Materjal saab vähendada seda energiat jaotudes paljudeks eri suundadesse joondunud domeenidesse. Tänu sellele tekivad lokaalsed magnetväljad materjalis, mis vähendavad summaarset magnetvälja. Domeene eraldavad peenikesed domeeniseinad, mis on mõne molekuli paksused ja kus dipoolide magneetumus pöördub sujuvalt ühe domeeni suunast teise.
Sellepärast madalaimas energeetilises olekus omab ("mittemagneetunud") rauatükk väikest magnetvälja või ei oma seda üldse. Küllalt tugevas välises magnetväljas hakkavad domeenide seinad liikuma nii, et järjest rohkem dipoole oleks joondatud välise väljaga. Välise välja eemaldamisel jäävad domeenid joondunuks, tekitades oma magnetvälja materjali ümbrusse, materjal muutus püsimagnetiks. Domeenid ei lähe algolekusse tagasi välise välja eemaldamisel, kuna domeenide seinad kinnistuvad kristallvõre defektidesse, säilitades paralleelse suuna. Seda näitab Barkhauseni efekt: magnetiseerivat välja muutes magneetumus muutub paljude väikeste hüpetena, domeeni seinad mööduvad järsult defektidest.
Magneetumust funktsioonina välisest väljast kirjeldab hüstereesisilmus. Kuigi üheselt joondunud domeenid ferromagneetikus ei ole minimaalse energiaga olek, on see metastabiilne ja saab püsida pikka aega. Näiteks magnetiit mere põhjas, mis on säilitanud magneetumuse miljoneid aastaid.
Tugevaimate püsimagnetite jaoks kasutatakse sulameid, kus on palju defekte kristallstruktuuris, kuhu domeenide seinad kinnistuvad. Magneetumust saab hävitada kuumutamise ja seejärel jahutamisega (lõõmutamine) ilma välise väljata. Soojusliikumine laseb domeeni seintel liikuda, vabastades nad defektidest ning naasta madala energiaga olekusse.