Diamagnétisme et Paramagnétisme

Même en l'absence d'ordre magnétique, les matériaux réagissent à un champ appliqué : les diamagnétiques s'y opposent faiblement par des courants induits, tandis que les paramagnétiques sont attirés à mesure que leurs moments existants s'alignent partiellement.

Definition

Le diamagnétisme est une aimantation faible, indépendante de la température, s'opposant à un champ appliqué, résultant de changements induits par le champ dans le mouvement orbital électronique ; le paramagnétisme est une aimantation parallèle au champ produite par l'alignement partiel de moments magnétiques atomiques ou d'électrons de conduction préexistants.

Scope

Ce sujet couvre les réponses magnétiques non coopératives de la matière : le diamagnétisme de Langevin et de Larmor résultant des courants orbitaux induits, le paramagnétisme de Curie des moments localisés suivant la loi de Curie, et le paramagnétisme de Pauli des électrons de conduction déterminé par la densité d'états au niveau de Fermi, ainsi que le diamagnétisme de Landau du gaz d'électrons. Il établit la susceptibilité magnétique et sa dépendance à la température comme la référence à partir de laquelle l'ordre magnétique piloté par l'échange s'écarte.

Core questions

• Comment les courants orbitaux induits confèrent-ils à chaque matériau une réponse diamagnétique ?
• Pourquoi la susceptibilité paramagnétique des moments localisés suit-elle la loi de Curie en proportion inverse de la température ?
• Pourquoi le paramagnétisme de Pauli des électrons de conduction est-il presque indépendant de la température ?
• Comment les diverses contributions se combinent-elles pour donner la susceptibilité mesurée d'un solide réel ?

Key concepts

• Susceptibilité magnétique
• Diamagnétisme de Larmor et de Langevin
• Paramagnétisme des moments localisés selon la loi de Curie
• Paramagnétisme de Pauli des électrons de conduction
• Diamagnétisme de Landau du gaz d'électrons

Key theories

Loi de Curie du paramagnétisme

Pour les moments magnétiques localisés non interagissants, la compétition entre l'alignement par le champ et le désordre thermique donne une susceptibilité inversement proportionnelle à la température, la loi de Curie, qui est le comportement limite au-dessus de toute transition d'ordre magnétique.

Paramagnétisme de Pauli

Dans un métal, seuls les électrons de conduction proches de la surface de Fermi peuvent se réorienter dans un champ, de sorte que leur susceptibilité paramagnétique est déterminée par la densité d'états au niveau de Fermi et est presque indépendante de la température, contrairement à la réponse de Curie des moments localisés.

Clinical relevance

Les mesures de susceptibilité diagnostiquent le caractère magnétique des matériaux, révélant le comportement des moments localisés par rapport au comportement itinérant et la densité d'états dans les métaux ; le diamagnétisme et le paramagnétisme sont également à la base de la lévitation magnétique, du contraste en imagerie par résonance magnétique et de l'étalonnage des instruments magnétiques.

History

Pierre Curie a établi la loi expérimentale de la susceptibilité paramagnétique dans les années 1890 ; Langevin a formulé la théorie classique du dia- et du paramagnétisme en 1905, et le traitement quantique du paramagnétisme des électrons de conduction par Pauli en 1927, suivi par le diamagnétisme de Landau, a complété le tableau pour les métaux.

Key figures

• Pierre Curie
• Paul Langevin
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• blundell2001
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Tous les matériaux présentent-ils du diamagnétisme ?

Oui ; la réponse orbitale induite qui produit le diamagnétisme est universelle, mais elle est très faible et est généralement masquée dans les matériaux qui possèdent également des moments paramagnétiques ou un ordre magnétique, lesquels apportent des contributions plus importantes et opposées.

Pourquoi le paramagnétisme de Pauli est-il beaucoup plus faible que le paramagnétisme de Curie ?

Dans un métal, le principe de Pauli empêche la plupart des électrons de conduction de se réorienter ; seule une petite fraction proche de la surface de Fermi peut réagir, de sorte que la susceptibilité est beaucoup plus faible et presque indépendante de la température par rapport aux moments localisés librement orientables.