Magnetizmus dielektrík a polovodičov

Na rozdiel od kovov dielektrika a polovodiče zvyčajne nemajú putujúce elektróny. preto magnetické momenty v týchto látkach sú lokalizované spolu s elektrónmi v iónových stavoch. Toto je hlavný rozdiel. magnetizmus kovov, opísaný teóriou pásma, magnetizmom dielektrík a polovodičov.

Podľa teórie pásiem sú dielektriká kryštály obsahujúce párne číslo elektróny… To znamená, že dielektrikum môže iba exponovať diamagnetické vlastnosti, čo však nevysvetľuje niektoré vlastnosti mnohých látok tohto typu.

V skutočnosti paramagnetizmus lokalizovaných elektrónov, ako aj fero- a antiferomagnetizmus (jeden z magnetických stavov látky, vyznačujúci sa tým, že magnetické momenty susedných častíc látky sú orientované k sebe, a preto magnetizácia teleso ako celok je veľmi malé) dielektrika je výsledkom Coulombovho vzájomného odpudzovania elektrónov (Coulombovská interakčná energia elektrónov Uc v reálnych atómoch sa pohybuje od 1 do 10 a viac elektrónvoltov).

Predpokladajme, že sa v izolovanom atóme objavil ďalší elektrón, ktorý spôsobil, že jeho energia vzrástla o hodnotu e. To znamená, že nasledujúci elektrón je v energetickej hladine Uc + e. Vo vnútri kryštálu sa energetické hladiny týchto dvoch elektrónov rozdelia na pásy a pokiaľ existuje pásmová medzera, kryštál je buď polovodič alebo dielektrikum.

Obe zóny spolu zvyčajne obsahujú párny počet elektrónov, no môže nastať situácia, že je vyplnená len spodná zóna a počet elektrónov v nej je nepárny.

Takéto dielektrikum je tzv Mott-Hubbardovo dielektrikum… Ak sú integrály prekrytia malé, potom bude dielektrikum vykazovať paramagnetizmus, inak bude výrazný antiferomagnetizmus.

Dielektriká ako CrBr3 alebo EuO vykazujú feromagnetizmus založený na supervýmennej interakcii. Väčšina feromagnetických dielektrík pozostáva z magnetických 3d-iónov oddelených nemagnetickými iónmi.

V situácii, keď je vzdialenosť pre priamu interakciu 3d-orbitálov medzi sebou veľká, výmenná interakcia je stále možná - prekrývaním vlnových funkcií 3d-orbitálov magnetických iónov a p-orbitálov nemagnetických aniónov.

Orbitály dvoch typov sa "miešajú", ich elektróny sa stávajú spoločnými pre niekoľko iónov - to je supervýmenná interakcia. O tom, či je takéto dielektrikum feromagnetické alebo antiferomagnetické, rozhoduje typ d-orbitálov, počet ich elektrónov a tiež uhol, pod ktorým je vidieť dvojicu magnetických iónov z miesta, kde sa nachádza nemagnetický ión.

Antisymetrická výmenná interakcia (nazývaná Dzialoszinski-Moria interakcia) medzi dvoma bunkami so spinovými vektormi S1 a S2 má nenulovú energiu iba vtedy, ak príslušné bunky nie sú magneticky ekvivalentné.

Interakcia tohto typu sa pozoruje u niektorých antiferomagnetík vo forme slabej spontánnej magnetizácie (vo forme slabého feromagnetizmu), to znamená, že magnetizácia je tisícinová oproti s magnetizáciou konvenčných feromagnetík… Príklady takýchto látok: hematit, uhličitan mangánu, uhličitan kobaltnatý.