2.1.3.Ферромагнетизм

Ферромагнетизм, одно из магнитных состояний кристаллических, как правило, веществ, характеризуемое параллельной ориентациеймагнитных моментоватомных носителей магнетизма. Параллельная ориентация магнитных моментов устанавливается при температурахТниже критическойи обусловлена положительным значением энергии межэлектронногообменного взаимодействия.Ферромагнитная упорядоченность магнитных моментов в кристаллах (атомнаямагнитная структура – коллинеарная или неколлинеарная) непосредственно наблюдается и исследуется методами магнитнойнейтронографии.Вещества, в которых установился ферромагнитный порядок атомных магнитных моментов, называютферромагнетиками.

Магнитные и другие физические свойства ферромагнетиков обладают специфической зависимостью от температуры Т.Намагниченность насыщенияJsимеет наибольшее значение приТ = 0 К и монотонно уменьшается до нуля приТ = .

Поскольку самопроизвольная намагниченность ферромагнетиков сохраняется до Т = ,а в типичных ферромагнетиках температура (может достигать ~ 10³К, тоk10^-13эрг (k – Больцмана постоянная).Это означает, что энергия взаимодействия, которая ответственна за существование ферромагнитного порядка атомных магнитных моментов в кристалле, тоже должна быть порядка 10^-13эрг  на каждую пару соседних магнитно-активных атомов. Такое значение энергии может быть обусловлено только электрическим взаимодействием между электронами, ибо энергия магнитного взаимодействия электронов двух соседних атомов ферромагнетика не превышает, как правило, 10^-16эрг,и поэтому может обеспечить температуру Кюри лишь ~ 1 К (такие ферромагнетики с т. н. дипольным магнитным взаимодействием тоже существуют). В общем случае магнитные взаимодействия в ферромагнетиках определяют их магнитную анизотропию. Классическая физика не могла объяснить каким образом электрическое взаимодействие может привести к Ф. Толькоквантовая механикапозволила понять тесную внутреннюю связь между результирующим магнитным моментом системы электронов и их электростатическим взаимодействием, которое принято называть обменным взаимодействием.

Необходимым условием Ф. является наличие постоянных (независящих от Н) магнитных (спиновых или орбитальных, или обоих вместе) моментов электронных оболочек атомов ферромагнетиков. Это выполняется в кристаллах, построенных из атомов переходных элементов (атомов с недостроенными внутренними электронными слоями). Различают 4 основных случая:

1) металлические кристаллы (чистые металлы, сплавы и интерметаллические соединения) на основе переходных элементов с недостроенными d-cлоями (в первую очередь 3d-cлоем у элементов группы железа); 2) металлические кристаллы на основе переходных элементов с недостроеннымиf-cлоями (редкоземельные элементы с недостроенным 4f-cлоем); 3) неметаллические кристаллические соединения при наличии хотя бы одного компонента из переходныхd-илиf-элементов; 4) сильно разбавленные растворы атомов переходныхd-илиf-металлов в диамагнитной металлической матрице. Появление в этих четырёх случаях атомного магнитного порядка обусловлено обменным взаимодействием.

Связь Ф. с многими немагнитными свойствами вещества позволяет по данным измерений магнитных свойств получить информацию о различных тонких специфических особенностях электронной структуры кристаллов. Поэтому Ф. интенсивно исследуют на электронном и ядерном уровнях, применяя электронный ферромагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, Мёссбауэра эффект,рассеяние на ферромагнитных кристаллах различного типа корпускулярных излучений (с учётом влияния магнитных моментов взаимодействующих частиц) и т.д. В 70-е гг. 20 в. возникли интересные контакты Ф. с физикой элементарных частиц и астрофизикой. Здесь следует упомянуть об изучении в ферромагнетиках явлений аннигиляции позитронов, образованиямюония и позитрония (см.Позитрон),рассеяния мюонов, а в астрофизике – о проблеме магнетизма нейтронных звёзд (пульсаров).