Nghịch từ và Thuận từ

Ngay cả khi không có trật tự từ tính, vật liệu vẫn phản ứng với từ trường tác dụng: các vật liệu nghịch từ chống lại từ trường một cách yếu ớt thông qua các dòng điện cảm ứng, trong khi các vật liệu thuận từ bị hút vào khi các mômen từ hiện có của chúng sắp xếp một phần.

Definition

Nghịch từ là một từ hóa yếu, không phụ thuộc nhiệt độ, chống lại từ trường tác dụng, phát sinh từ những thay đổi do từ trường gây ra trong chuyển động quỹ đạo của điện tử; thuận từ là một từ hóa song song với từ trường được tạo ra bởi sự sắp xếp một phần của các mômen từ nguyên tử hoặc điện tử dẫn đã tồn tại trước đó.

Scope

Chủ đề này bao gồm các phản ứng từ tính không hợp tác của vật chất: nghịch từ Langevin và Larmor từ các dòng điện quỹ đạo cảm ứng, thuận từ Curie của các mômen cục bộ tuân theo định luật Curie, và thuận từ Pauli của các điện tử dẫn được xác định bởi mật độ trạng thái ở mức Fermi, cùng với nghịch từ Landau của khí điện tử. Nó thiết lập độ cảm từ và sự phụ thuộc nhiệt độ của nó làm cơ sở để từ đó trật tự từ tính do trao đổi điện tử lệch đi.

Core questions

• Làm thế nào các dòng điện quỹ đạo cảm ứng tạo ra phản ứng nghịch từ cho mọi vật liệu?
• Tại sao độ cảm từ thuận của các mômen cục bộ tuân theo định luật Curie theo tỷ lệ nghịch với nhiệt độ?
• Tại sao thuận từ Pauli của các điện tử dẫn gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ?
• Làm thế nào các đóng góp khác nhau kết hợp lại để tạo ra độ cảm từ đo được của một chất rắn thực?

Key concepts

• Độ cảm từ
• Nghịch từ Larmor và Langevin
• Thuận từ theo định luật Curie của các mômen cục bộ
• Thuận từ Pauli của các điện tử dẫn
• Nghịch từ Landau của khí điện tử

Key theories

Định luật Curie về thuận từ

Đối với các mômen từ cục bộ không tương tác, sự cạnh tranh giữa sự sắp xếp theo từ trường và sự hỗn loạn nhiệt tạo ra độ cảm từ tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, định luật Curie, đây là hành vi giới hạn trên bất kỳ chuyển đổi trật tự từ tính nào.

Thuận từ Pauli

Trong một kim loại, chỉ các điện tử dẫn gần bề mặt Fermi mới có thể định hướng lại trong từ trường, vì vậy độ cảm từ thuận của chúng được xác định bởi mật độ trạng thái ở mức Fermi và gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ, không giống như phản ứng Curie của các mômen cục bộ.

Clinical relevance

Các phép đo độ cảm từ chẩn đoán đặc tính từ tính của vật liệu, tiết lộ hành vi mômen cục bộ so với hành vi điện tử chuyển động và mật độ trạng thái trong kim loại; nghịch từ và thuận từ cũng là cơ sở của sự nâng từ, độ tương phản trong hình ảnh cộng hưởng từ, và hiệu chuẩn các dụng cụ từ tính.

History

Pierre Curie đã thiết lập định luật thực nghiệm về độ cảm từ thuận vào những năm 1890; Langevin đã đưa ra lý thuyết cổ điển về nghịch từ và thuận từ vào năm 1905, và công trình lượng tử năm 1927 của Pauli về thuận từ của điện tử dẫn, tiếp theo là nghịch từ của Landau, đã hoàn thiện bức tranh cho kim loại.

Key figures

• Pierre Curie
• Paul Langevin
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• blundell2001
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Tất cả các vật liệu có thể hiện tính nghịch từ không?

Có; phản ứng quỹ đạo cảm ứng tạo ra tính nghịch từ là phổ biến, nhưng nó rất yếu và thường bị che khuất trong các vật liệu cũng có mômen thuận từ hoặc trật tự từ tính, vốn tạo ra những đóng góp lớn hơn, ngược chiều.

Tại sao thuận từ Pauli yếu hơn nhiều so với thuận từ Curie?

Trong một kim loại, nguyên lý Pauli ngăn chặn hầu hết các điện tử dẫn định hướng lại; chỉ một phần nhỏ gần bề mặt Fermi mới có thể phản ứng, vì vậy độ cảm từ nhỏ hơn nhiều và gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ so với các mômen cục bộ có thể định hướng tự do.