Основные типы магнитных состояний вещества

Ферромагнетики (ferromagnetic materials) – это материалы со спонтанным 
упорядочением магнитных моментов атомов и свободных электронов (электронов 
проводимости) в одном направлении, имеющем место даже в отсутствие внешнего 
магнитного поля. Данный класс материалов наиболее востребован в спинтронике.
В ферромагнетиках магнитные моменты атомов благодаря обменному взаимодействию 
при температурах, меньших некоторой критической температуры, называемой
температурой или точкой Кюри (Curie temperature, point), ориентируются параллельно 
друг другу. В этих условиях любой ферромагнетик (в пределах домена) обладает 
макроскопическим магнитным моментом – намагниченностью. Параллельная ориентация 
собственных магнитных моментов (в пределах отдельного домена) минимизирует обменную 
энергию, что и приводит к спонтанной намагниченности материала. В точке Кюри и выше 
интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика становится достаточной для 
разрушения его самопроизвольной намагниченности и изменения магнитного упорядочения. 
В результате ферромагнетик становится парамагнетиком. 
Ферромагнетизм обусловлен наличием собственных магнитных моментов электронов 
недостроенных оболочек атомов, в то время как вклад орбитальных магнитных моментов 
электронов этих оболочек в намагниченность незначителен. Суммарный магнитный момент 
электронов в полностью застроенных оболочках, ввиду их четного количества, равен нулю. 
Они не принимают участия в формировании магнитных свойств ферромагнетиков. 
Естественным ферромагнетизмом обладают девять химических элементов: три 3d-металла – 
Fe, Co, Ni – и шесть 4f-металлов – Gd, Dy, Tb, Ho, Er и Tm. Имеется также большое 
количество ферромагнитных сплавов и химических соединений.

---

44 
Основной механизм формирования магнитного порядка ферромагнетиков в ряду 
3d-металлов состоит в перекрывании волновых функции 3d-электронов соседних атомов. 
В кристаллических решетках из атомов Fe, Co, Ni волновые функции 3d-электронов
соседних атомов перекрываются и образуется система коллективизированных 3d- и 
s-электронов, как это описано в предыдущей главе (раздел 1.6).
Основной механизм формирования магнитного порядка ферромагнетиков в ряду 
4f-металлов состоит в наличии РККИ-взаимодействия (см. раздел 1.3). У них 4f-оболочки 
имеют размер, который существенно меньше межатомного расстояния. Эти оболочки для 
соседних ионов не перекрываются. Обменное взаимодействие возникает за счет свободных 
электронов. 
В отличие от диа- и парамагнетиков, магнитные свойства которых определяются 
поведением отдельных атомов или свободных электронов, характерной чертой 
ферромагнетиков является наличие в них областей самопроизвольного (спонтанного) 
намагничивания – доменов (domain). Существование ферромагнитных доменов впервые 
было постулировано П. Вейссом
1
и экспериментально подтверждено Г. Баркгаузеном
2
, 
который обнаружил, что намагниченность ферромагнитного материала после воздействия на 
него внешнего магнитного поля изменяется скачками. Эти скачки отвечают 
перемагничиванию отдельного домена или некоторой группы доменов и называют скачками