Ферромагнетизм — это форма магнитного упорядочения, при которой атомные магнитные моменты в твёрдом теле спонтанно выравниваются параллельно друг другу даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Это явление сопровождается возникновением остаточной намагниченности, а также сильным ответом материала на внешнее магнитное поле. Наиболее известные ферромагнитные материалы — железо, кобальт и никель.
Характерными признаками ферромагнетизма являются:
Ферромагнетизм возникает в результате взаимодействия между спиновыми магнитными моментами электронов. Это взаимодействие имеет квантовомеханическую природу и обусловлено, в первую очередь, обменным взаимодействием.
Ключевым фактором в формировании ферромагнитного порядка служит обменное взаимодействие, возникающее из принципа Паули и кулоновского отталкивания между электронами. Обменная энергия J характеризует силу и знак взаимодействия между соседними спинами. При J > 0 реализуется параллельная ориентация спинов — ферромагнетизм. Знак и величина J зависят от расстояния между атомами и перекрытия их волновых функций.
Обменная энергия описывается гамильтонианом Хайзенберга:
Ĥ = −2J∑⟨i, j⟩Si ⋅ Sj
где Si и Sj — операторы спина на узлах решётки, ⟨i, j⟩ — пары ближайших соседей.
Ферромагнитные материалы при температуре ниже точки Кюри разделены на области — магнитные домены, внутри которых магнитные моменты ориентированы одинаково. Однако направления намагниченности в соседних доменах могут различаться, что приводит к нулевой макроскопической намагниченности в отсутствии поля.
Границы между доменами — доменные стенки — представляют собой области, где ориентация спинов плавно изменяется от одного домена к другому. Доменная структура минимизирует суммарную энергию системы, включая энергию обменного взаимодействия, магнитостатическую энергию и энергию анизотропии.
Магнитная анизотропия — это зависимость энергии системы от ориентации намагниченности относительно кристаллографических осей. Анизотропия может быть обусловлена:
Энергия анизотропии определяет лёгкие и трудные направления намагничивания и влияет на стабильность доменной структуры.
При повышении температуры тепловые колебания разрушают упорядоченность спинов. Температура, при которой ферромагнитный порядок исчезает, называется температурой Кюри TC. Ниже TC материал находится в ферромагнитном состоянии, выше — в парамагнитном.
Поведение намагниченности M(T) вблизи точки Кюри описывается законом Кюри-Вейсса:
$$ \chi = \frac{C}{T - \Theta} $$
где χ — магнитная восприимчивость, C — константа Кюри, Θ ≈ TC — температура Вейсса.
В области критической температуры наблюдаются фазовые переходы второго рода с характерным поведением критических показателей.
Под действием переменного внешнего магнитного поля ферромагнетики демонстрируют явление магнитного гистерезиса. Петля гистерезиса отображает зависимость намагниченности M от приложенного поля H.
Ключевые параметры петли:
Ширина петли гистерезиса отражает энергетические потери на циклическое перемагничивание, что важно при разработке магнитных сердечников и носителей информации.
Пьер Вейсс предложил теорию ферромагнетизма, в которой каждый магнитный момент взаимодействует с эффективным полем — молекулярным полем Hmol, пропорциональным макроскопической намагниченности:
Hэфф = H + λM
где λ — константа Вейсса. При этом спонтанная намагниченность возникает в отсутствие внешнего поля при T < TC, как решение самосогласованного уравнения для M.
Хотя модель Вейсса не учитывает квантовомеханическую природу обменного взаимодействия, она качественно правильно описывает фазовый переход и температурную зависимость.
В ферромагнитном веществе возможны коллективные возбуждения — магноны, которые представляют собой квазичастицы, соответствующие кванту спиновой волны. Энергетический спектр магнонов при малых волновых векторах имеет квадратичную дисперсию:
ε(k) ≈ Dk2
где D — жёсткость спиновой решётки. Магноны вносят вклад в теплоёмкость и теплопроводность при низких температурах. Они также участвуют в процессе релаксации и перемагничивания.
Ферромагнетизм лежит в основе целого ряда технически значимых явлений и устройств:
На современном этапе особый интерес вызывают наноферромагнетики, магнитные сверхрешётки, а также мультиферроики — материалы, сочетающие ферромагнитные и сегнетоэлектрические свойства.
Разработка новых ферромагнитных материалов требует понимания связи между электронной структурой, кристаллохимией и магнитным порядком. Методы нейтронографии, спектроскопии магнонов, магнитометрии и микроскопии с магнитной контрастностью активно применяются для исследования ферромагнетиков на микро- и наноуровне.
Ферромагнетизм остаётся одной из ключевых тем физики твёрдого тела, объединяя фундаментальные принципы квантовой механики и практические аспекты современных технологий.