อันตรกิริยาแลกเปลี่ยนและเฟอร์โรแมกเนติซึม

เฟอร์โรแมกเนติซึม ซึ่งเป็นการเรียงตัวของสปินที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติทำให้เกิดแม่เหล็กถาวรนั้น ไม่ได้เกิดจากแรงแม่เหล็กที่อ่อนแอ แต่เกิดจากอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนเชิงควอนตัมที่มีรากฐานมาจากหลักการของเพาลี

Definition

อันตรกิริยาแลกเปลี่ยนคือการคัปปลิ้งที่มีผลต่อสปิน ซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากการผลักกันของคูลอมบ์ภายใต้ข้อจำกัดของหลักการของเพาลี ซึ่งส่งเสริมการเรียงตัวของสปินแบบขนาน (เฟอร์โรแมกเนติก) หรือแบบตรงกันข้าม (แอนติเฟอร์โรแมกเนติก); เฟอร์โรแมกเนติซึมคือเฟสที่ต่ำกว่าอุณหภูมิคูรี ซึ่งอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนทำให้เกิดสภาพแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและมีการจัดเรียงตัว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงต้นกำเนิดระดับจุลภาคของอันดับเฟอร์โรแมกเนติก: อันตรกิริยาแลกเปลี่ยนที่เกิดจากการทำงานร่วมกันของการผลักกันของคูลอมบ์และหลักการกีดกันของเพาลี, แฮมิลโทเนียนสปินของไฮเซนเบิร์ก, ทฤษฎีสนามโมเลกุลของไวสส์ (ทฤษฎีสนามเฉลี่ย) ของอุณหภูมิคูรี, และการเกิดสภาพแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ, โดเมนแม่เหล็ก, และฮิสเทอรีซิส นอกจากนี้ยังอธิบายว่าเหตุใดอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนจึงมีอิทธิพลเหนือแรงไดโพล และการเปลี่ยนผ่านไปสู่สถานะพาราแมกเนติกเกิดขึ้นได้อย่างไรที่จุดคูรี

Core questions

• เหตุใดอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนจึงเป็นสาเหตุของเฟอร์โรแมกเนติซึม ไม่ใช่แรงไดโพลแม่เหล็ก?
• แบบจำลองของไฮเซนเบิร์กเข้ารหัสอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนเป็นการคัปปลิ้งระหว่างสปินได้อย่างไร?
• ทฤษฎีสนามโมเลกุลของไวสส์ทำนายอุณหภูมิคูรีและสภาพแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติได้อย่างไร?
• เหตุใดเฟอร์โรแมกเนตจึงเกิดโดเมนและแสดงฮิสเทอรีซิส?

Key concepts

• อันตรกิริยาแลกเปลี่ยนและหลักการของเพาลี
• แฮมิลโทเนียนสปินของไฮเซนเบิร์ก
• ทฤษฎีสนามโมเลกุลของไวสส์
• สภาพแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและอุณหภูมิคูรี
• โดเมนแม่เหล็กและฮิสเทอรีซิส

Key theories

แบบจำลองอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนของไฮเซนเบิร์ก

ไฮเซนเบิร์กได้แสดงพลังงานอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนเป็นการคัปปลิ้งระหว่างสปินที่อยู่ใกล้เคียงกัน; ค่าคงที่อันตรกิริยาแลกเปลี่ยนที่เป็นบวกจะส่งเสริมการเรียงตัวแบบขนานและทำให้เกิดเฟอร์โรแมกเนติซึม ซึ่งให้แฮมิลโทเนียนสปินที่เป็นพื้นฐานของทฤษฎีควอนตัมของอันดับแม่เหล็ก

ทฤษฎีสนามโมเลกุลของไวสส์

ไวสส์จำลองอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนเป็นสนามโมเลกุลภายในที่แปรผันตรงกับสภาพแม่เหล็ก; ทฤษฎีสนามเฉลี่ยนี้ทำนายสภาพแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติที่สอดคล้องกันเอง ซึ่งจะหายไปที่อุณหภูมิคูรี โดยจับการเปลี่ยนผ่านแบบเฟอร์โรแมกเนติกในเชิงปรากฏการณ์

Clinical relevance

เฟอร์โรแมกเนติซึมทำให้สามารถสร้างแม่เหล็กถาวร, มอเตอร์ไฟฟ้า, หม้อแปลงไฟฟ้า, และอุปกรณ์เก็บข้อมูลแม่เหล็กได้; การทำความเข้าใจอันตรกิริยาแลกเปลี่ยน, แอนไอโซทรอปี, และพฤติกรรมของโดเมนเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบสื่อบันทึกข้อมูล, เซ็นเซอร์แม่เหล็ก, และวัสดุทางวิศวกรรมไฟฟ้า

History

ไวสส์ได้เสนอแนวคิดสนามโมเลกุลเพื่ออธิบายเฟอร์โรแมกเนติซึมในปี 1907 โดยไม่ได้ระบุแหล่งที่มา; ในปี 1928 ไฮเซนเบิร์ก ร่วมกับงานที่เกี่ยวข้องของดิแรก ได้แสดงให้เห็นว่าอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนเชิงควอนตัมเป็นแหล่งกำเนิดของสนามนั้น ซึ่งในที่สุดก็อธิบายได้ว่าเหตุใดพลังงานการจัดเรียงตัวแบบเฟอร์โรแมกเนติกจึงมีค่ามากกว่าอันตรกิริยาไดโพลแม่เหล็กอย่างมาก

Key figures

• Werner Heisenberg
• Pierre Weiss
• Paul Dirac

Seminal works

• heisenberg1928
• blundell2001

Frequently asked questions

อันตรกิริยาแลกเปลี่ยนคืออะไรกันแน่?

เป็นการคัปปลิ้งที่มีผลต่อสปินที่เกิดขึ้นเนื่องจากหลักการของเพาลีเชื่อมโยงสมมาตรของสถานะสปินเข้ากับฟังก์ชันคลื่นเชิงพื้นที่ ซึ่งจะเปลี่ยนพลังงานคูลอมบ์ในทางกลับกัน; ผลลัพธ์คือความแตกต่างของพลังงานระหว่างสปินแบบขนานและแบบตรงกันข้ามที่เลียนแบบแรงสปิน-สปินที่แข็งแกร่ง

เหตุใดเฟอร์โรแมกเนตจึงเกิดโดเมน?

บริเวณที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กอย่างสม่ำเสมอเพียงบริเวณเดียวจะมีพลังงานสนามภายนอกสูง; วัสดุจะลดพลังงานนี้โดยการแบ่งออกเป็นโดเมนที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในทิศทางที่แตกต่างกัน โดยมีผนังกั้น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเฟอร์โรแมกเนตที่ยังไม่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กจึงไม่มีโมเมนต์สุทธิ จนกว่าสนามจะจัดเรียงโดเมน