Magnetismo di dielettrici e semiconduttori
A differenza dei metalli, i dielettrici e i semiconduttori in genere non hanno elettroni itineranti. Perciò, momenti magnetici in queste sostanze sono localizzati insieme agli elettroni in stati ionici. Questa è la differenza principale. magnetismo dei metalli, descritto dalla teoria delle bande, dal magnetismo dei dielettrici e dei semiconduttori.
Secondo la teoria delle bande, i dielettrici sono cristalli contenenti un numero pari elettroni… Ciò significa che i dielettrici possono solo esporre proprietà diamagnetiche, che però non spiega alcune delle proprietà di molte sostanze di questo tipo.
Infatti, il paramagnetismo di elettroni localizzati, così come il ferro- e l'antiferromagnetismo (uno degli stati magnetici di una sostanza, caratterizzato dal fatto che i momenti magnetici delle particelle vicine della sostanza sono orientati l'uno verso l'altro, e quindi la magnetizzazione di il corpo nel suo insieme è molto piccolo) del dielettrico è il risultato della reciproca repulsione coulombiana degli elettroni (l'energia di interazione coulombiana degli elettroni Uc negli atomi reali varia da 1 a 10 o più elettronvolt).
Supponiamo che un elettrone aggiuntivo appaia in un atomo isolato, il che fa aumentare la sua energia del valore e. Ciò significa che l'elettrone successivo è nel livello energetico Uc + e. All'interno del cristallo, i livelli di energia di questi due elettroni si dividono in bande e, finché esiste il gap di banda, il cristallo è un semiconduttore o un dielettrico.
Insieme, le due zone di solito contengono un numero pari di elettroni, ma può verificarsi una situazione in cui solo la zona inferiore è piena e il numero di elettroni in essa è dispari.
Tale dielettrico è chiamato Dielettrico di Mott-Hubbard… Se gli integrali di sovrapposizione sono piccoli, allora il dielettrico mostrerà paramagnetismo, altrimenti ci sarà un pronunciato antiferromagnetismo.
Dielettrici come CrBr3 o EuO mostrano ferromagnetismo basato sull'interazione di superscambio. La maggior parte dei dielettrici ferromagnetici è costituita da ioni 3d magnetici separati da ioni non magnetici.
In una situazione in cui la distanza per l'interazione diretta degli orbitali 3d tra loro è grande, l'interazione di scambio è ancora possibile, sovrapponendo le funzioni d'onda degli orbitali 3d degli ioni magnetici e degli orbitali p degli anioni non magnetici.
Gli orbitali di due tipi si "mescolano", i loro elettroni diventano comuni a diversi ioni: questa è l'interazione di superscambio. Se un tale dielettrico è ferromagnetico o antiferromagnetico è determinato dal tipo di orbitali d, dal numero dei loro elettroni e anche dall'angolo al quale si vede una coppia di ioni magnetici da dove si trova lo ione non magnetico.
Un'interazione di scambio antisimmetrica (chiamata interazione di Dzialoszinski-Moria) tra due cellule con vettori di spin S1 e S2 ha energia diversa da zero solo se le cellule in questione non sono magneticamente equivalenti.
Un'interazione di questo tipo si osserva in alcuni antiferromagneti sotto forma di debole magnetizzazione spontanea (sotto forma di debole ferromagnetismo), cioè la magnetizzazione è un millesimo rispetto con magnetizzazione di ferromagneti convenzionali… Esempi di tali sostanze: ematite, carbonato di manganese, carbonato di cobalto.