反磁性および常磁性

磁気秩序がない場合でも、物質は印加された磁場に応答します。反磁性体は誘導電流によって磁場に弱く抵抗しますが、常磁性体は既存の磁気モーメントが部分的に整列することで磁場に引き寄せられます。

Definition

反磁性とは、印加された磁場に抵抗する、弱く温度に依存しない磁化であり、磁場によって誘起される電子の軌道運動の変化に起因します。常磁性とは、既存の原子または伝導電子の磁気モーメントの部分的な整列によって生じる、磁場に平行な磁化です。

Scope

このトピックでは、物質の非協調的な磁気応答について扱います。誘導軌道電流に起因するランジュバン反磁性およびラーモア反磁性、キュリーの法則に従う局在モーメントのキュリー常磁性、フェルミ準位における状態密度によって決定される伝導電子のパウリ常磁性、および電子ガスのランダウ反磁性です。これは、磁化率とその温度依存性を、交換相互作用によって駆動される磁気秩序が始まる基準として確立します。

Core questions

• 誘導軌道電流は、どのようにしてすべての物質に反磁性応答をもたらすのでしょうか？
• 局在モーメントの常磁性磁化率が、なぜ温度に反比例するキュリーの法則に従うのでしょうか？
• 伝導電子のパウリ常磁性が、なぜほとんど温度に依存しないのでしょうか？
• さまざまな寄与がどのように組み合わさって、実際の固体で測定される磁化率を与えるのでしょうか？

Key concepts

• 磁化率
• ラーモア反磁性およびランジュバン反磁性
• 局在モーメントのキュリーの法則に従う常磁性
• 伝導電子のパウリ常磁性
• 電子ガスのランダウ反磁性

Key theories

常磁性のキュリーの法則

局在した非相互作用磁気モーメントの場合、磁場による整列と熱的無秩序との競合により、磁化率は温度に反比例します。これがキュリーの法則であり、あらゆる磁気秩序転移より高い温度での極限挙動です。

パウリ常磁性

金属では、フェルミ面近傍の伝導電子のみが磁場中で再配向できるため、その常磁性磁化率はフェルミ準位における状態密度によって決定され、局在モーメントのキュリー応答とは異なり、温度にほとんど依存しません。

Clinical relevance

磁化率測定は、物質の磁気的特性を診断し、局在モーメントと遍歴挙動の区別、および金属における状態密度を明らかにします。反磁性および常磁性は、磁気浮上、磁気共鳴画像法におけるコントラスト、および磁気計測器の校正の基礎でもあります。

History

ピエール・キュリーは1890年代に常磁性磁化率の実験法則を確立しました。ランジュバンは1905年に反磁性および常磁性の古典理論を提唱し、パウリによる1927年の伝導電子常磁性の量子論、それに続くランダウ反磁性によって、金属に関する全体像が完成しました。

Key figures

• Pierre Curie
• Paul Langevin
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• blundell2001
• ashcroft1976

Frequently asked questions

すべての物質は反磁性を示しますか？

はい、反磁性を生み出す誘導軌道応答は普遍的ですが、非常に弱く、常磁性モーメントや磁気秩序を持つ物質では、通常、より大きく逆方向の寄与によって覆い隠されます。

パウリ常磁性がキュリー常磁性よりもはるかに弱いのはなぜですか？

金属では、パウリの排他原理により、ほとんどの伝導電子は再配向できません。フェルミ面近傍のわずかな割合の電子のみが応答できるため、自由に配向可能な局在モーメントと比較して、磁化率ははるかに小さく、ほとんど温度に依存しません。