Magnetisk struktur
Termen magnetisk struktur av ett material hänför sig till det ordnade arrangemanget av magnetiska snurrar, vanligtvis inom ett ordnat kristallografiskt gitter . Dess studie är en gren av fasta tillståndets fysik .
Magnetiska strukturer
De flesta fasta material är icke-magnetiska, det vill säga de uppvisar ingen magnetisk struktur. På grund av Pauli-uteslutningsprincipen är varje tillstånd upptaget av elektroner från motsatta snurr, så att laddningstätheten kompenseras överallt och spinnfrihetsgraden är trivial. Ändå visar sådana material vanligtvis ett svagt magnetiskt beteende, t.ex. på grund av Pauli- paramagnetism eller Langevin- eller Landau- diamagnetism .
Det mer intressanta fallet är när materialets elektron spontant bryter ovan nämnda symmetri. För ferromagnetism i grundtillståndet finns det en gemensam spinnkvantiseringsaxel och ett globalt överskott av elektroner av ett givet spinnkvantantal, det finns fler elektroner som pekar i en riktning än i den andra, vilket ger en makroskopisk magnetisering (vanligtvis majoritetens elektroner) är valda att peka upp). I de mest enkla (kollinjära) fallen av antiferromagnetism finns det fortfarande en gemensam kvantiseringsaxel, men de elektroniska snurren pekar omväxlande upp och ner, vilket igen leder till att den makroskopiska magnetiseringen avbryts. Emellertid, specifikt i fallet med frustration av interaktionerna, kan de resulterande strukturerna bli mycket mer komplicerade, med inneboende tredimensionella orienteringar av de lokala snurren. Slutligen ferrimagnetism som prototypiskt uppvisad av magnetit i någon mening ett mellanfall: här är magnetiseringen globalt okompenserad som i ferromagnetism, men den lokala magnetiseringen pekar i olika riktningar.
Ovanstående diskussion avser grundtillståndsstrukturen. Naturligtvis leder ändliga temperaturer till excitationer av spinnkonfigurationen. Här kan två extrema synvinklar kontrasteras: i Stoner-bilden av magnetism (även kallad ambulerande magnetism) delokaliseras de elektroniska tillstånden, och deras medelfältsinteraktion leder till att symmetrin bryts. I denna uppfattning, med ökande temperatur, skulle den lokala magnetiseringen således minska homogent, eftersom enstaka delokaliserade elektroner flyttas från upp- till nedkanalen. Å andra sidan, i det lokala ögonblicksfallet är de elektroniska tillstånden lokaliserade till specifika atomer, vilket ger atomsnurr, som endast interagerar över en kort räckvidd och typiskt analyseras med Heisenberg- modellen . Här leder ändliga temperaturer till en avvikelse av atomspinnarnas orientering från den ideala konfigurationen, vilket för en ferromagnet också minskar den makroskopiska magnetiseringen.
För lokaliserad magnetism kan många magnetiska strukturer beskrivas av magnetiska rymdgrupper , som ger en exakt redogörelse för alla möjliga symmetrigrupper av upp/ner-konfigurationer i en tredimensionell kristall. Denna formalism kan dock inte förklara några mer komplexa magnetiska strukturer, som de som finns i helimagnetism .
Tekniker för att studera dem
Sådan ordning kan studeras genom att observera den magnetiska känsligheten som en funktion av temperatur och/eller storleken på det applicerade magnetfältet, men en verkligt tredimensionell bild av arrangemanget av spinnen erhålls bäst med hjälp av neutrondiffraktion . Neutroner sprids i första hand av kärnorna i atomerna i strukturen. Vid en temperatur över ordningspunkten för de magnetiska momenten, där materialet beter sig som ett paramagnetiskt sådant, ger neutrondiffraktion därför endast en bild av den kristallografiska strukturen. Under ordningspunkten, t.ex. Néel-temperaturen för en antiferromagnet eller Curie-punkten för en ferromagnet, kommer neutronerna också att uppleva spridning från de magnetiska momenten eftersom de själva har spinn. Intensiteten i Bragg-reflektionerna kommer därför att förändras. Faktum är att i vissa fall kommer helt nya Bragg-reflektioner att inträffa om enhetscellen för beställningen är större än den för den kristallografiska strukturen. Detta är en form av överbyggnadsbildning . Således kan symmetrin hos den totala strukturen mycket väl skilja sig från den kristallografiska understrukturen. Det måste beskrivas av en av de 1651 magnetiska ( Shubnikov ) grupperna snarare än en av de icke-magnetiska rymdgrupperna .
Även om vanlig röntgendiffraktion är "blind" för arrangemanget av spinnen, har det blivit möjligt att använda en speciell form av röntgendiffraktion för att studera magnetisk struktur. Om en våglängd väljs som ligger nära en absorptionskant av ett av elementen som ingår i materialen blir spridningen onormal och denna komponent för spridningen är (något) känslig för den icke-sfäriska formen av de yttre elektronerna i en atom med en oparat snurr. Detta betyder att denna typ av onormal röntgendiffraktion innehåller information av den önskade typen.
På senare tid utvecklas bordstekniker som gör det möjligt att studera magnetiska strukturer utan att behöva använda neutron- eller synkrotronkällor.
De kemiska elementens magnetiska struktur
Endast tre grundämnen är ferromagnetiska vid rumstemperatur och tryck: järn , kobolt och nickel . Detta beror på att deras Curie-temperatur , Tc, är högre än rumstemperaturen (Tc > 298K). Gadolinium har en spontan magnetisering strax under rumstemperatur (293 K) och räknas ibland som det fjärde ferromagnetiska elementet. Det har förekommit några förslag att Gadolinium har helimagnetisk ordning, men andra försvarar den långvariga uppfattningen att Gadolinium är en konventionell ferromagnet.
Grundämnena Dysprosium och Erbium har vardera två magnetiska övergångar. De är paramagnetiska vid rumstemperatur, men blir helimagnetiska under sina respektive Néel-temperaturer och blir sedan ferromagnetiska under sina curie-temperaturer. Grundämnena Holmium , Terbium och Thulium uppvisar ännu mer komplicerade magnetiska strukturer.
Det finns också antiferromagnetisk ordning, som blir oordnad över Néel-temperaturen . Krom påminner lite om en enkel antiferromagnet, men har också en vågmodulering med ojämförlig spinndensitet ovanpå den enkla upp-och-ner-snurrväxlingen. Mangan (i α-Mn-form) har 29 atomer enhetscell , vilket leder till ett komplext, men motsvarande antiferromagnetiskt arrangemang vid låga temperaturer ( magnetisk rymdgrupp P 4 2'm'). Till skillnad från de flesta element, som är magnetiska på grund av elektroner, domineras den magnetiska ordningen av koppar och silver av det mycket svagare kärnmagnetiska momentet (jämför Bohr-magneton och kärnmagneton ) som leder till övergångstemperaturer nära absolut noll .
De element som blir supraledare uppvisar superdiamagnetism under en kritisk temperatur.
| Nej. | namn | Supraledande T c | Curie temperatur | Néel temperatur |
|---|---|---|---|---|
| 3 | Litium | 0,0004 K | ||
| 13 | Aluminium | 1,18 K | ||
| 22 | Titan | 0,5 K | ||
| 23 | Vanadin | 5,4 K | ||
| 24 | Krom | 311 K | ||
| 25 | Mangan | 100 K | ||
| 26 | Järn | 1044 K | ||
| 27 | Kobolt | 1390 K | ||
| 28 | Nickel | 630 K | ||
| 29 | Koppar | 6 * 10 −8 K | ||
| 30 | Zink | 0,85 K | ||
| 31 | Gallium | 1,08 K | ||
| 40 | Zirkonium | 0,6 K | ||
| 41 | Niob | 9,25 K | ||
| 42 | Molybden | 0,92 K | ||
| 43 | Teknetium | 8,2 K | ||
| 44 | Rutenium | 0,5 K | ||
| 45 | Rodium | 0,0003 K | ||
| 46 | Palladium | 1,4 K | ||
| 47 | Silver | 5,6 * 10 −10 K | ||
| 48 | Kadmium | 0,52 K | ||
| 49 | Indium | 3,4 K | ||
| 50 | Tenn | 3,7 K | ||
| 57 | Lantan | 6 K | ||
| 58 | Cerium | 13 K | ||
| 59 | Praseodym | 25 K | ||
| 60 | Neodym | 19,9 K | ||
| 62 | Samarium | 13,3 K | ||
| 63 | Europium | 91 K | ||
| 64 | Gadolinium | 293,4 K | ||
| 65 | Terbium | 221 K | 230 K | |
| 66 | Dysprosium | 92,1 K | 180,2 K | |
| 67 | Holmium | 20 K | 132,2 K | |
| 68 | Erbium | 18,74 K | 85,7 K | |
| 69 | Thulium | 32 K | 56 K | |
| 71 | Lutetium | 0,1 K | ||
| 72 | Hafnium | 0,38 K | ||
| 73 | Tantal | 4,4 K | ||
| 74 | Volfram | 0,01 K | ||
| 75 | Renium | 1,7 K | ||
| 76 | Osmium | 0,7 K | ||
| 77 | Iridium | 0,1 K | ||
| 80 | Merkurius | 4,15 K | ||
| 81 | Tallium | 2,4 K | ||
| 82 | Leda | 7,2 K | ||
| 90 | Torium | 1,4 K | ||
| 91 | Protaktinium | 1,4 K | ||
| 92 | Uran | 1,3 K | ||
| 95 | Americium | 1 K |