المغناطيسية في المواد الصلبة

ينشأ السلوك المغناطيسي للمواد، من التنافر المغناطيسي الضعيف (diamagnetic repulsion) إلى الترتيب التلقائي للمواد المغناطيسية الحديدية (ferromagnet)، من لفات الإلكترونات (electron spins)، والعزوم المدارية (orbital moments)، وتفاعل التبادل الكمومي (quantum exchange interaction) الذي يربطها.

Definition

المغناطيسية في المواد الصلبة هي دراسة كيفية استجابة العزوم المغناطيسية الإلكترونية للمجالات وترتيبها فيما بينها؛ حيث يدفع تفاعل التبادل (exchange interaction)، وهو نتيجة لمبدأ باولي (Pauli principle) والتنافر الكولومي (Coulomb repulsion)، الحالات التعاونية مثل المغناطيسية الحديدية (ferromagnetism) والمغناطيسية المعاكسة للحديد (antiferromagnetism) تحت درجات حرارة انتقال مميزة.

Scope

يغطي هذا المجال أصل وتصنيف المغناطيسية في المواد الصلبة: المغناطيسية المعاكسة (diamagnetism) والمغناطيسية المسايرة (paramagnetism) للعزوم الفردية، وتفاعل التبادل (exchange interaction) ونموذج هايزنبرغ (Heisenberg model)، والترتيب المغناطيسي الحديدي (ferromagnetic)، والمغناطيسي المعاكس للحديد (antiferromagnetic)، والمغناطيسي الفريتي (ferrimagnetic)، والتحولات الطورية المغناطيسية (magnetic phase transitions) ودرجات حرارة كوري (Curie) ونيل (Néel)، والإثارات الموجية الدورانية منخفضة الطاقة (low-energy spin-wave excitations) التي تسمى الماغنونات (magnons). ويركز على الأصل الميكانيكي الكمومي والإحصائي للترتيب المغناطيسي بدلاً من هندسة الأجهزة المغناطيسية.

Sub-topics

• المغناطيسية المضادة والترتيب المغناطيسي
• الدايامغناطيسية والبارامغناطيسية
• تفاعل التبادل والمغناطيسية الحديدية
• موجات اللف المغزلي والمغنونات

Core questions

• ما الذي يميز الاستجابات المغناطيسية المعاكسة (diamagnetic)، والمسايرة (paramagnetic)، والمترتبة تعاونيًا (cooperatively ordered)؟
• لماذا يعتبر تفاعل التبادل (exchange interaction)، وليس قوى ثنائي القطب المغناطيسي (magnetic dipole forces)، هو المسؤول عن الترتيب المغناطيسي؟
• كيف تختلف الترتيبات المغناطيسية الحديدية (ferromagnetic)، والمغناطيسية المعاكسة للحديد (antiferromagnetic)، والمغناطيسية الفريتية (ferrimagnetic)، وما الذي يحدد درجات حرارة انتقالها؟
• ما هي الموجات الدورانية (spin waves) والماجنونات (magnons)، وكيف تتحكم في سلوك المغناطيس المرتب عند درجات الحرارة المنخفضة؟

Key concepts

• المغناطيسية المعاكسة (Diamagnetism) والمغناطيسية المسايرة (paramagnetism)
• تفاعل التبادل (Exchange interaction) ونموذج هايزنبرغ (Heisenberg model)
• الترتيب المغناطيسي الحديدي (Ferromagnetic)، والمغناطيسي المعاكس للحديد (antiferromagnetic)، والمغناطيسي الفريتي (ferrimagnetic)
• درجات حرارة كوري (Curie) ونيل (Néel) والتحولات الطورية المغناطيسية (magnetic phase transitions)
• الموجات الدورانية (Spin waves) والماجنونات (magnons)

Key theories

تفاعل التبادل (Exchange interaction) ونموذج هايزنبرغ (Heisenberg model)

أظهر هايزنبرغ أن مبدأ باولي للاستبعاد (Pauli exclusion principle) جنبًا إلى جنب مع التنافر الكولومي (Coulomb repulsion) ينتج عنهما اقتران دوران-دوران فعال (effective spin-spin coupling) أقوى بمرات عديدة من القوى ثنائية القطب، مما يوفر الأصل الكمومي للترتيب المغناطيسي الحديدي (ferromagnetic) والمغناطيسي المعاكس للحديد (antiferromagnetic).

إثارات الموجة الدورانية (magnon) (Spin-wave (magnon) excitations)

الإثارات الأقل طاقة للمغناطيس المرتب هي تذبذبات جماعية للدورانات (collective precessions of the spins)، مكممة كبوزونات ماجنونات (bosonic magnons) يفسر انتشارها اعتماد المغنطة على درجة الحرارة، مثل قانون بلوخ T-to-the-three-halves.

Clinical relevance

يرتكز الترتيب المغناطيسي على المغناطيسات الدائمة، وتخزين البيانات المغناطيسية، والإلكترونيات الدورانية (spintronics)؛ ويعد فهم التبادل (exchange)، والتباين (anisotropy)، والإثارات الدورانية (spin excitations) ضروريًا لوسائط التسجيل المغناطيسي، والمستشعرات، وتقنيات المعلومات الناشئة القائمة على الدوران.

History

فسرت نظرية المجال الجزيئي (molecular-field theory) لفايس (Weiss) عام 1907 المغناطيسية الحديدية ظاهريًا، لكن تحديد هايزنبرغ عام 1928 لتفاعل التبادل الكمومي (quantum exchange interaction) هو الذي قدم أصلًا مجهريًا؛ وأكمل عمل نيل (Néel) على المغناطيسية المعاكسة للحديد (antiferromagnetism) والمغناطيسية الفريتية (ferrimagnetism) في ثلاثينيات وأربعينيات القرن الماضي التصنيف الأساسي للترتيب المغناطيسي.

Key figures

• Werner Heisenberg
• Pierre Weiss
• Louis Néel

Seminal works

• heisenberg1928
• blundell2001
• ashcroft1976

Frequently asked questions

لماذا يعتبر تفاعل التبادل أقوى بكثير من القوى المغناطيسية بين العزوم؟

تفاعل التبادل ذو أصل كهروسكوني: يجبر مبدأ باولي الإلكترونات ذات الدورانات المتوازية أو المتعاكسة على حالات مكانية مختلفة ذات طاقات كولومية مختلفة. هذا الاختلاف في الطاقة يتضاءل أمام التفاعل ثنائي القطب المغناطيسي الضئيل، لذا فهو يحدد مقياس الترتيب المغناطيسي.

ماذا يحدث عند درجة حرارة كوري؟

فوق درجة حرارة كوري، تتغلب الاضطرابات الحرارية على محاذاة التبادل ويفقد المغناطيس الحديدي مغنطته التلقائية، ليصبح مغناطيسيًا مسايرًا؛ وهو تحول طوري مستمر ذو سلوك حرج مميز.