Обменное взаимодействие и ферромагнетизм

Ферромагнетизм — спонтанное выстраивание спинов, которое создает постоянный магнит, — обусловлен не слабыми магнитными силами, а квантовым обменным взаимодействием, коренящимся в принципе Паули.

Definition

Обменное взаимодействие — это эффективная спин-зависимая связь, возникающая из кулоновского отталкивания, ограниченного принципом Паули, которая благоприятствует параллельному (ферромагнитному) или антипараллельному выстраиванию спинов; ферромагнетизм — это фаза ниже температуры Кюри, в которой обменное взаимодействие создает спонтанную, упорядоченную намагниченность.

Scope

Эта тема охватывает микроскопическое происхождение ферромагнитного упорядочения: обменное взаимодействие, возникающее из взаимосвязи кулоновского отталкивания и принципа исключения Паули, спиновый гамильтониан Гейзенберга, теорию молекулярного поля Вейса (теорию среднего поля) для температуры Кюри, а также результирующую спонтанную намагниченность, магнитные домены и гистерезис. Объясняется, почему обменное взаимодействие доминирует над дипольными силами и как происходит переход в парамагнитное состояние в точке Кюри.

Core questions

• Почему за ферромагнетизм отвечает обменное взаимодействие, а не магнитные дипольные силы?
• Как модель Гейзенберга кодирует обменное взаимодействие как спин-спиновую связь?
• Как теория молекулярного поля Вейса предсказывает температуру Кюри и спонтанную намагниченность?
• Почему ферромагнетики образуют домены и проявляют гистерезис?

Key concepts

• Обменное взаимодействие и принцип Паули
• Спиновый гамильтониан Гейзенберга
• Теория молекулярного поля Вейса
• Спонтанная намагниченность и температура Кюри
• Магнитные домены и гистерезис

Key theories

Модель обменного взаимодействия Гейзенберга

Гейзенберг выразил обменную энергию как связь между соседними спинами; положительная обменная константа благоприятствует параллельному выстраиванию и приводит к ферромагнетизму, давая спиновый гамильтониан, лежащий в основе квантовой теории магнитного упорядочения.

Теория молекулярного поля Вейса

Вейс смоделировал обменное взаимодействие как внутреннее молекулярное поле, пропорциональное намагниченности; эта теория среднего поля предсказывает самосогласованную спонтанную намагниченность, исчезающую при температуре Кюри, феноменологически описывая ферромагнитный переход.

Clinical relevance

Ферромагнетизм делает возможным создание постоянных магнитов, электродвигателей, трансформаторов и магнитных носителей данных; понимание обменного взаимодействия, анизотропии и поведения доменов имеет важное значение для разработки записывающих сред, магнитных датчиков и материалов электротехники.

History

Вейс постулировал молекулярное поле для объяснения ферромагнетизма в 1907 году, не идентифицируя его источник; в 1928 году Гейзенберг, с сопутствующими работами Дирака, показал, что квантовое обменное взаимодействие обеспечивает это поле, окончательно объяснив, почему энергии ферромагнитного упорядочения значительно превышают энергии магнитных дипольных взаимодействий.

Key figures

• Werner Heisenberg
• Pierre Weiss
• Paul Dirac

Seminal works

• heisenberg1928
• blundell2001

Frequently asked questions

Что именно представляет собой обменное взаимодействие?

Это эффективная связь между спинами, которая возникает потому, что принцип Паули связывает симметрию спинового состояния с пространственной волновой функцией, что, в свою очередь, изменяет кулоновскую энергию; результатом является разница энергий между параллельными и антипараллельными спинами, которая имитирует сильную спин-спиновую силу.

Почему ферромагнетик образует домены?

Одна равномерно намагниченная область будет обладать большой энергией внешнего поля; материал снижает эту энергию, разбиваясь на домены, намагниченные в разных направлениях и разделенные стенками, поэтому ненамагниченный ферромагнетик не имеет чистого момента, пока поле не выровняет домены.