Диамагнетизм и парамагнетизм представляют собой два фундаментальных типа магнитного поведения вещества, возникающих из взаимодействия микроскопических магнитных моментов электронов с внешним магнитным полем. Эти явления лежат в основе современной спинтроники, где управление спином электрона становится ключевым фактором для создания новых устройств хранения и обработки информации.
Диамагнитные эффекты возникают из-за закона Ленца: когда на электрон в атоме действует изменяющееся магнитное поле, оно индуцирует электронный ток, который создаёт магнитное поле, направленное против внешнего. Диамагнетизм проявляется у всех веществ, но в большинстве случаев его эффект невелик и заметен только в отсутствие сильного парамагнитного или ферромагнитного компонента.
Ключевые моменты диамагнетизма:
Формула Ландэ для диамагнитной восприимчивости:
$$ \chi_{\text{диам}} = - \frac{\mu_0 e^2}{6 m} \sum_i \langle r_i^2 \rangle n_i $$
где e — заряд электрона, m — его масса, ⟨ri2⟩ — средний квадрат радиуса орбитального движения, ni — число электронов на данной орбитали, μ0 — магнитная постоянная.
Парамагнетизм возникает из-за наличия нескомпенсированных спиновых или орбитальных магнитных моментов частиц. Внешнее магнитное поле стремится выровнять эти моменты по своей направленности, создавая положительную намагниченность. В отличие от диамагнетизма, парамагнетизм сильно зависит от температуры.
Ключевые особенности:
$$ \chi = \frac{C}{T} $$
где C — константа Кюри, зависящая от эффективного магнитного момента частиц, T — абсолютная температура.
В рамках квантовой механики магнитный момент электрона связан с его спином S⃗ и орбитальным моментом L⃗:
μ⃗ = −gμBS⃗ − μBL⃗
где $\mu_B = \frac{e \hbar}{2 m}$ — магнетон Бора, g — гиромагнитное отношение. Диамагнитная реакция определяется вторым порядком эффекта возмущения на орбитальные состояния, тогда как парамагнитная — выравниванием спиновых моментов по внешнему полю.
Диамагнетизм играет роль при создании магнитной защиты и при проектировании материалов с низкой восприимчивостью, минимизирующих паразитные намагничивания. Парамагнетизм используется для управления спиновыми токами, создания спиновых фильтров и магнетосенсоров.
Диамагнитные: графит, бериллий, вода, медь. Парамагнитные: алюминий, платина, редкоземельные ионы (например, Gd³⁺).
Спинтроническая значимость: парамагнитные полупроводники, такие как GaMnAs, активно исследуются для создания спиновых транзисторов и устройств с управлением спиновым током.