Ферромагнетизм Ферромагнетизм характеризуется спонтанным упорядочением магнитных моментов атомов или ионов в одном направлении даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Это явление возникает благодаря обменному взаимодействию, обусловленному квантовомеханическим эффектом перекрытия волновых функций электронов. В результате в материале формируются области магнитного упорядочения — домены, внутри которых магнитные моменты параллельны.
При наложении внешнего магнитного поля домены, ориентированные вдоль направления поля, увеличиваются за счет уменьшения доменов с противоположной ориентацией. По мере нарастания поля достигается состояние насыщения, при котором все магнитные моменты выровнены. При снятии поля остается остаточная намагниченность, связанная с существованием доменной структуры и наличием энергетических барьеров для перемагничивания.
Классические примеры ферромагнетиков: железо, кобальт, никель, а также некоторые редкоземельные сплавы.
Антиферромагнетизм Антиферромагнетики характеризуются антипараллельным упорядочением магнитных моментов соседних атомов, при котором суммарная намагниченность в макроскопическом масштабе равна нулю. Этот тип упорядочения определяется отрицательным обменным интегралом, который энергетически выгоден при противоположной ориентации спинов.
Существует критическая температура — температура Нееля TN, выше которой антиферромагнитный порядок разрушается и материал переходит в парамагнитное состояние. Ниже TN векторы магнитных моментов образуют регулярную решетку с чередованием направлений.
Примеры антиферромагнетиков: MnO, FeO, NiO, Cr.
Ферримагнетизм Ферримагнетики имеют две или более подрешеток, магнитные моменты которых ориентированы антипараллельно, но отличаются по величине. В результате наблюдается неполная компенсация и появляется ненулевая суммарная намагниченность.
Типичный пример — магнетит Fe3O4, в котором ионы железа находятся в разных кристаллографических позициях, давая разную величину магнитного момента. Ферримагнетизм часто встречается в ферритах, используемых в радиотехнике и вычислительных устройствах.
Парамагнетизм В парамагнитных материалах атомные или ионные магнитные моменты не взаимодействуют достаточно сильно, чтобы образовать упорядоченное состояние при комнатной температуре. В отсутствие внешнего поля моменты ориентированы случайным образом вследствие теплового движения.
Под действием внешнего магнитного поля наблюдается слабое выравнивание моментов вдоль его направления, что приводит к положительной магнитной восприимчивости. Парамагнитная восприимчивость подчиняется закону Кюри или закону Кюри–Вейса в зависимости от наличия слабых обменных взаимодействий.
Примеры: соли марганца, платина, алюминий при высоких температурах.
Диамагнетизм Диамагнетизм — это универсальное свойство всех веществ, связанное с индуцированием в них магнитного момента, направленного противоположно внешнему магнитному полю. Механизм основан на законе Ленца в микроскопическом масштабе: внешнее поле изменяет орбитальное движение электронов, создавая противоположный по направлению магнитный момент.
Диамагнитная восприимчивость всегда отрицательна и очень мала по величине. Яркие диамагнетики — висмут, медь, графит.
Спиновые стекла В спиновых стеклах наблюдается хаотическое распределение направлений спинов, вызванное конкуренцией ферромагнитных и антиферромагнитных взаимодействий. Это приводит к фрустрации — невозможности одновременно удовлетворить все энергетически выгодные спиновые конфигурации.
При понижении температуры система замерзает в одном из множества локальных минимумов энергии, что сопровождается медленной релаксацией и аномалиями магнитной восприимчивости. Примеры — разбавленные магнитные сплавы, такие как AuFe или CuMn.
Сверхпарамагнетизм Сверхпарамагнитное состояние характерно для ультрамелких магнитных частиц (наночастиц), в которых весь объем ведет себя как один домен. Тепловая энергия способна переворачивать магнитный момент частицы, что приводит к исчезновению остаточной намагниченности в отсутствие поля.
Такое поведение встречается, например, в ферромагнитных наночастицах оксидов железа, используемых в магнитных носителях информации и медицинских диагностических методах.
Гелимагнетизм и коническая спиновая структура Гелимагнетизм возникает при конкуренции прямого обменного взаимодействия и косвенных взаимодействий (например, через проводящие электроны — взаимодействие РККИ). Магнитные моменты соседних атомов образуют винтовую структуру, меняя направление при переходе от одного атома к другому.
В конических структурах магнитные моменты располагаются на поверхности воображаемого конуса, сочетая винтовое вращение с продольной компонентой вдоль оси. Такие структуры наблюдаются, например, в некоторых интерметаллидах и редкоземельных соединениях.