Ферромагнетизм

Ферромагнетизм — это магнетизм кооперативного типа, при котором устанавливается коллинеарный дальний порядок всех магнитных моментов в системе (Рис. 1).

fig-ferromag-1.jpg

В ферромагнетике намагниченность существует даже в отсутствие внешнего поля (спонтанная намагниченность). Обменное взаимодействие доминирует (по сравнению с анизотропией, и параметр, обменного взаимодействия всегда положителен ($ J > 0 $).

В ферромагнетике внешнее поле играет роль фактора, позволяющего выявить на макроскопическом уровне существующее микроскопическое упорядочение. Зависимость относительной намагниченности $ M/M_s $ показана на Рис. 2.

fig-ferromag-2.jpg

С ростом температуры энергия теплового движения моментов возрастает и при $ T=T_C $ (температура Кюри) становится больше энергии обменного взаимодействия. При этом намагниченность системы понижается и при $ T  > T_C $ равна нулю. Выше $ T_C $ идеальный ферромагнетик становится парамагнетиком и подчиняется закону Кюри — Вейсса (см. Парамагнетизм).

Примерами кристаллических ферромагнетиков служат химические элементы Fe, Co и Ni, а типичными аморфными ферромагнетиками являются их разнообразные соединения.

Fe, Co и Ni являются также примерами ферромагнетиков, магнетизм которых обусловлен коллективизированными электронами. Согласно модели Стонера, ферромагнетизм возникает благодаря неравной заселенности энергетических уровней коллективизированными магнитными электронами со спинами, ориентированными вверх и вниз. Если подзона с большим значением спина заполнена целиком, как это показано в случае S на Рис. 3, то система относится к материалам с сильным ферромагнетизмом коллективизированных электронов (strong itinerant ferromagnet) и дальнейшее расщепление зоны не может увеличить магнетизма.

fig-ferromag-3.jpg

Если же коллективизированные магнитные электроны содержатся в обеих подзонах (случай W на Рис. 3), система относится к числу материалов со слабым ферромагнетизмом коллективизированных электронов (weak itinerant ferromagnet). В них спонтанная намагниченность зависит от формы кривой плотности состояний $ N(E) $ вблизи уровня Ферми. На нее могут существенно влиять как изменения приложенного поля, так и изменения температуры.