פרומגנטיות

הסבר פיזיקלי לתופעת הפרומגנטיות

הפרומגנטיות נובעת משני אפקטים קוונטים: ספין ועקרון האיסור של פאולי.
הספין של האלקטרון, בשילוב עם התנע הזוויתי האורביטלי שלו, גורם למומנט דיפול מגנטי ויוצר שדה מגנטי. בחומרים רבים (בייחוד באלה עם קליפת ערכיות מלאה), המומנט המגנטי הכולל של כל האלקטרונים הוא אפס, כלומר הספינים נמצאים בזוגות של מעלה/מטה. רק אטומים עם קליפות מלאות באופן חלקי (ספינים לא מזווגים) יכולים להיות בעלי מומנט מגנטי נטו בהיעדר שדה מגנטי חיצוני. לחומר פרומגנטי יש אלקטרונים רבים בעלי מאפיינים כאלה, ואם הם מסודרים בסדר מסוים הם יוצרים שדה מקרוסקופי מדיד.
דיפולים קבועים אלה, המכונים גם "ספינים" למרות שבדרך כלל הם כוללים את התנע הזוויתי האורביטלי, נוטים להסתדר במקביל לשדה המגנטי החיצוני, תופעה הנקראת פאראמגנטיות. אולם, פרומגנטיות כוללת תופעה נוספת: הדיפולים נוטים להסתדר באופן ספונטני, ללא כל שדה מופעל.
לפי האלקטרומגנטיות הקלאסית, שני דיפולים מגנטיים סמוכים יטו להסתדר בכיוונים מנוגדים (מה שייצור חומר אנטי פרומגנטי). לעומת זאת, ניתוח קוונטי מראה כי הדיפולים יטו להסתדר באותו כיוון. הדבר נובע מעקרון האיסור של פאולי או ליתר דיוק ממשפט הספין סטטיסטיקה - אלקטרונים הם פרמיונים ולכן פונקציית הגל הכוללת שלהם צריכה להיות אנטי סימטרית להחלפה ביניהם. כאשר הספינים באותו כיוון (מצב סימטרי), פונקציית הגל המרחבית צריכה להיות אנטי סימטרית. במקרה זה האלקטרונים יהיו רחוקים יותר זה מזה (יחסית למקרה בו הם עם ספינים בכיוונים הפוכים ופונקציית גל מרחבית סימטרית) ולכן הדחייה האלקטרוסטטית ביניהם קטנה יותר במצב זה.
במרחקים ארוכים מסדר גודל של אטומים רבים יתרון חילוף האנרגיה מתבטל על ידי הנטייה הקלאסית של דיפולים להסתדר בצורה מנוגדת. זו הסיבה שהדיפולים בחומר פרומגנטי לא ממוגנט אינם מסודרים. במקום זאת, הם מתארגנים לאזורים מגנטיים, הידועים גם כאזורי וייס, שמסודרים (ממוגנטים) בטווח קצר, אבל בטווח ארוך אזורים סמוכים מסודרים זה כנגד זה. המעבר בין שני אזורים, בו המגנטיזציה משתנה בהדרגה מכיוון אחד לאחר, נקרא קיר האֵזור והוא דק מאוד בקנה מידה אטומי (מכסה מרחק של בערך 300 אטומים עבור ברזל).
כתוצאה מכך, לגוש ברזל במצב אנרגיה מינימלי (לא ממוגנט) יש בדרך כלל מומנט מגנטי קטן או אפסי. אולם, אם הוא מונח בשדה מגנטי חיצוני מספיק חזק, האזורים יתארגנו מחדש במקביל לשדה, ויישארו מאורגנים מחדש כאשר השדה יכובה, ובכך ייצרו מגנט "קבוע". המגנטיזציה הזו כתוצאה מהפעלת שדה חיצוני מתוארת על ידי עקומת היסטרזיס (חשל). למרות שתצורה זו של אזורים מסודרים באותו כיוון אינה בעלת אנרגיה מינימלית, היא מהווה מצב מטסטבילי אשר יכול להימשך זמן רב - קיימות דוגמאות של מגנטיט על קרקעית האוקיינוס ששמרו על מגנטיות במשך מיליוני שנים. אולם, ניתן להרוס את המגנטיזציה על ידי הרפיה - חימום החומר ואז קירורו בהיעדר שדה חיצוני.
ככל שהטמפרטורה עולה האנטרופיה מתחרה עם הנטייה הפרומגנטית של הדיפולים להסתדר. כאשר הטמפרטורה עולה מעבר לנקודה מסוימת, הנקראת טמפרטורת קירי, מתרחש מעבר פאזה מסדר שני והמערכת לא שומרת יותר על המגנטיזציה הספונטנית, למרות שהיא עדיין מגיבה לשדה חיצוני באופן פאראמגנטי. מתחת לטמפרטורה זו, מתרחשת שבירת סימטריה ספונטנית ונוצרים אזורים פרומגנטיים בהיעדר שדה חיצוני. 
טמפרטורת קירי עצמה היא נקודה קריטית, שבה באופן תאורטי הסוספטיביליות המגנטית היא אינסופית, ולמרות שאין מגנטיזציה נטו, קיימים אזורים פרומגנטיים בגדלים שונים המתהפכים באופן אקראי.

פרומגנטיות חריגה

בשנת 2004 דווח כי אלוטרופ מסוים של פחמן, ננו-קצף פחמני, הראה פרומגנטיות. האפקט דועך לאחר מספר שעות בטמפרטורת החדר, אבל נשאר יותר זמן בטמפרטורות נמוכות. החומר הוא גם מוליך למחצה. ישנה דעה כי חומרים אחרים בעלי צורה דומה, כגון תרכובות איזו-אלקטרונית של בורון ניטריד, עשויות להיות פרומגנטיות. הסגסוגת ZnZr₂ היא גם פרומגנטית מתחת לטמפרטורה של 28.5K.