Paramagnetism

Seos elektroni spinniga

Paramagnetilises materjalis on üksikul aatomil või molekulil püsiv magnetiline dipool, see säilib ka välise magnetvälja puudumisel. Püsivat momenti põhjustab paardumata elektroni spinn aatom- või molekulaarorbitaalil. Ilma välise magnetvälja mõjuta paramagnetilises aines dipoolide vahel interaktsioonid puuduvad ja dipoolid on tänu soojusliikumisele korrapäratult orienteeritud. Tänu sellele materjalis magnetmoment puudub. Materjali asetamisel magnetvälja dipoolid orienteeruvad väljas nii, et magnetmoment on välise väljaga samasuunaline. Klassikalise tõlgenduse järgi orienteerumine toimub tänu väändemomendile, mida põhjustab välja magnetmoment, mis proovib dipoole paigutada välja endaga paralleelselt. Tegelikult saab antud nähtust kirjeldada spinni ja impulssmomendi kvantmehaaniliste omadustega.
Kui kahe naaberdipooli vahel on piisav energiavahetus siis nad interakteeruvad ning võivad iseeneslikult joonduda või risti pöörduda. Võivad tekkida magnetilised domeenid, mis põhjustavad ferromagnetismi (püsimagnet) või antiferromagnetismi. Paramagnetilist käitumist võib näha ka ferromagnetilistel materjalidel Curie punktist ning antiferromagnetitel Néeli punktist kõrgematel temperatuuridel. Nendel temperatuuridel ületab vaba soojusenergia spinnidevahelise interaktsiooni energia.
Üldiselt on paramagnetilised efektid üsna väikesed. Magnetiline vastuvõtlikkus on 10⁻³ ja 10⁻⁵ suurusjärkude vahel enamiku paramagnetite korral, kuid sünteetilistel paramagnetitel võib väärtus olla väga kõrge, näiteks 10⁻¹ ferrovedelike korral.

s ja p elektronid

Tugev delokalisatsioon tahkises tänu naaberlainefunktsioonide kattuvusele põhjustab elektronide paardumist. Selle tõttu on s- ja p-tüüpi metallid tavaliselt Pauli-paramagneetikud või isegi diamagneetikud (nt kuld). Viimasel juhul sisemiste aatomorbitaalide elektronide diamagnetiline mõju on tugevam kui välimiste orbitaalide peaaegu vabalt liikuvate elektronide paramagnetiline mõju.

d ja f elektronid

Tüüpiliselt ainult d- ja f-elektronide korral võib märgata tugevamaid magnetilisi efekte, eriti kui viimased on tugevalt lokaliseerunud. Lisaks lantanoidide magnetmoment võib olla üsna suur, sest need saavad omada kuni 7 paardumata elektroni, näiteks gadoliinium(III) kasutatakse seetõttu MRT-s. Lantanoidide suure magnetmomendi tõttu kasutatakse neid supertugevates magnetites, viimaste põhielemendiks on tüüpiliselt neodüüm või samaarium.

Molekulaarne lokalisatsioon

Ülevalpool toodud kirjeldus on üldistatud ning tegelikult kirjeldab rohkem laiendatud võrestruktuuri kui molekulaarset struktuuri. Molekulaarses struktuuris võivad samuti elektronid lokaliseeruda. Kuigi energeetilistel põhjustel ei saa molekulis olla osaliselt täidetud molekulaarorbitaale (st paardumata elektrone), siiski looduses eksisteerivad mõned nn. täitmata orbitaalidega struktuuriüksused. Heaks näiteks on molekulaarne hapnik. Isegi külmutatud tahkises eksisteerivad siiski di-radikaalsed molekulid, mis põhjustavad paramagnetilist käitumist. Paardumata spinnid asuvad orbitaalidel, mis tulenevad hapniku p lainefunktsioonist, O₂ molekulis on kattumine piiratud naaberaatomi poolt. Võres on hapniku molekulide vaheline kaugus liiga suur delokaliseerumiseks ning seetõttu jäävad magnetmomendid paardumata.

Superparamagnetid

Mõningatel materjalidel on indutseeritud magnetiline käitumine, mis vastab Curie seadusele, kuid Curie konstantidel on erandlikult suured väärtused. Selliseid materjale tuntakse supermagnetitena. Neid iseloomustatakse kui tugevaid ferromagnetilist või ferrimagnetilist tüüpi ühendeid, milles olevad piiratud suurusega domeenid käituvad üksteisest erinevalt. Sellise süsteemi omadused meenutavad paramagnetit, kuid mikroskoopilisel tasandil on süsteem korrapärane. Antud materjalidele on iseloomulik korrastumistemperatuur, millest ülevalpool käitumine muutub tavalise paramagneti omaks. Heaks näiteks on ferrovedelikud, aga nähtust võib täheldada ka tahkistes. Viimaste korral on paramagnetilised tsentrid viidud hajutatuna hea liikuvusega ferromagnetilisse ühendisse, näiteks kui raud on asendatud ainesse TlCu₂Se₂ või sulam FeAu. Sellised süsteemid sisaldavad ferromagnetilise ühendi klastreid, mille ferromagnetism lülitub madalal temperatuuril välja. Neid kutsutakse ka miktomagnetiteks.