Μαγνητισμός διηλεκτρικών και ημιαγωγών

Σε αντίθεση με τα μέταλλα, τα διηλεκτρικά και οι ημιαγωγοί δεν έχουν συνήθως περιοδεύοντα ηλεκτρόνια. Επομένως, μαγνητικές στιγμές σε αυτές τις ουσίες εντοπίζονται μαζί με τα ηλεκτρόνια σε ιονικές καταστάσεις. Αυτή είναι η κύρια διαφορά. μαγνητισμός μετάλλων, που περιγράφεται από τη θεωρία ζωνών, από τον μαγνητισμό των διηλεκτρικών και των ημιαγωγών.

Σύμφωνα με τη θεωρία ζωνών, τα διηλεκτρικά είναι κρύσταλλοι που περιέχουν ζυγό αριθμό ηλεκτρόνια… Αυτό σημαίνει ότι τα διηλεκτρικά μπορούν μόνο να εκθέσουν διαμαγνητικές ιδιότητες, το οποίο όμως δεν εξηγεί κάποιες από τις ιδιότητες πολλών ουσιών αυτού του τύπου.

Στην πραγματικότητα, παραμαγνητισμός εντοπισμένων ηλεκτρονίων, καθώς και σιδηρο- και αντισιδηρομαγνητισμός (μία από τις μαγνητικές καταστάσεις μιας ουσίας, που χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι οι μαγνητικές ροπές των γειτονικών σωματιδίων της ουσίας είναι προσανατολισμένες το ένα προς το άλλο και επομένως η μαγνήτιση του το σώμα στο σύνολό του είναι πολύ μικρό) των διηλεκτρικών είναι το αποτέλεσμα της αμοιβαίας απώθησης των ηλεκτρονίων Coulomb (η ενέργεια αλληλεπίδρασης Coulomb των ηλεκτρονίων Uc σε πραγματικά άτομα κυμαίνεται από 1 έως 10 ή περισσότερα ηλεκτρονιοβολτ).

Ας υποθέσουμε ότι ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο εμφανίστηκε σε ένα απομονωμένο άτομο, το οποίο προκάλεσε την ενέργειά του να αυξηθεί κατά την τιμή e. Αυτό σημαίνει ότι το επόμενο ηλεκτρόνιο βρίσκεται στο ενεργειακό επίπεδο Uc + e. Μέσα στον κρύσταλλο, τα επίπεδα ενέργειας αυτών των δύο ηλεκτρονίων χωρίζονται σε ζώνες, και όσο υπάρχει το χάσμα ζώνης, ο κρύσταλλος είναι είτε ημιαγωγός είτε διηλεκτρικός.

Μαζί, οι δύο ζώνες περιέχουν συνήθως ζυγό αριθμό ηλεκτρονίων, αλλά μπορεί να προκύψει μια κατάσταση όπου μόνο η κάτω ζώνη είναι γεμάτη και ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε αυτήν είναι περιττός.

Ένα τέτοιο διηλεκτρικό ονομάζεται Διηλεκτρικό Mott-Hubbard… Εάν τα ολοκληρώματα επικάλυψης είναι μικρά, τότε το διηλεκτρικό θα παρουσιάσει παραμαγνητισμό, διαφορετικά θα υπάρχει έντονος αντισιδηρομαγνητισμός.

Τα διηλεκτρικά όπως το CrBr3 ή το EuO παρουσιάζουν σιδηρομαγνητισμό με βάση την αλληλεπίδραση υπερανταλλαγής. Η πλειοψηφία των σιδηρομαγνητικών διηλεκτρικών αποτελείται από μαγνητικά ιόντα 3d που διαχωρίζονται από μη μαγνητικά ιόντα.

Σε μια κατάσταση όπου η απόσταση για την άμεση αλληλεπίδραση των 3d-τροχιακών μεταξύ τους είναι μεγάλη, η αλληλεπίδραση ανταλλαγής είναι ακόμα δυνατή - με την επικάλυψη των κυματοσυναρτήσεων των 3d-τροχιακών μαγνητικών ιόντων και των p-τροχιακών μη μαγνητικών ανιόντων.

Τροχιακά δύο τύπων «αναμιγνύονται», τα ηλεκτρόνια τους γίνονται κοινά σε πολλά ιόντα - αυτή είναι η αλληλεπίδραση υπερανταλλαγής. Το αν ένα τέτοιο διηλεκτρικό είναι σιδηρομαγνητικό ή αντισιδηρομαγνητικό καθορίζεται από τον τύπο των d-τροχιακών, τον αριθμό των ηλεκτρονίων τους και επίσης από τη γωνία στην οποία φαίνεται ένα ζεύγος μαγνητικών ιόντων από όπου βρίσκεται το μη μαγνητικό ιόν.

Μια αντισυμμετρική αλληλεπίδραση ανταλλαγής (που ονομάζεται αλληλεπίδραση Dzialoszinski-Moria) μεταξύ δύο κυττάρων με φορείς spin S1 και S2 έχει μη μηδενική ενέργεια μόνο εάν τα εν λόγω κύτταρα δεν είναι μαγνητικά ισοδύναμα.

Μια αλληλεπίδραση αυτού του τύπου παρατηρείται σε ορισμένους αντισιδηρομαγνήτες με τη μορφή ασθενούς αυθόρμητης μαγνήτισης (με τη μορφή ασθενούς σιδηρομαγνητισμού), δηλαδή η μαγνήτιση είναι ένα χιλιοστό σε σύγκριση με με μαγνήτιση συμβατικών σιδηρομαγνητών… Παραδείγματα τέτοιων ουσιών: αιματίτης, ανθρακικό μαγγάνιο, ανθρακικό κοβάλτιο.