強磁性

ほとんどの強磁性材料は金属であり、伝導電子が強磁性相互作用を媒介する役割を担っていることが多い。そのため、強磁性絶縁体、特に強磁性と強誘電性の両方を持つ多強誘電体材料の開発は困難である。^{[ 8 ]}

アクチニド化合物の多くは室温で強磁性体であるか、冷却すると強磁性を示す。PuPは室温では立方対称の常磁性体であるが、T _C  = 125 K以下に冷却すると強磁性秩序を持つ正方晶状態に構造相転移する。強磁性状態では、PuPの容易軸は⟨100⟩方向である。^{[ 9 ]}

_NpFe₂では、容易軸は⟨111⟩である。^{[ 10 ]} T _C ≈ 500  K以上では、NpFe₂_は常磁性かつ立方晶である。キュリー温度以下に冷却すると、菱面体歪みが生じ、菱面体角は60°（立方晶相）から60.53°に変化する。この歪みの別の説明としては、歪みが始まった後の固有の三方晶軸に沿った長さcと、 cに垂直な平面内の距離aを考える方法がある。立方晶相では、これはc / a = 1.00に減少する。キュリー温度以下では、格子は歪みを獲得する。

${\displaystyle {\frac {c}{a}}-1=-(120\pm 5)\times 10^{-4},}$

これは、アクチニド化合物の中で最大の歪みである。^{[ 11 ]} NpNi2_は、 T _C = 32 K未満で同様の格子歪みを受け、歪みは (43  ±  5)  ×  10 ⁻⁴である。^{[ 11 ]} NpCo2_は、15  K未満でフェリ磁性体である。

2009年、 MITの物理学者 チームは、 1ケルビン未満に冷却されたリチウムガスが強磁性を示すことを実証した。^{[ 12 ]}このチームは、赤外線レーザー冷却を用いて、フェルミオンリチウム6を150 nK（1ケルビンの1500億分の1）未満に冷却した。この実証は、ガス中で強磁性が実証された初めての事例である。   

まれなケースでは、ルビジウムセスキオキシドのように、sブロック元素とpブロック元素のみで構成される化合物で強磁性が観察されることがある。^{[ 13 ]}

2018年、ミネソタ大学の物理学者チームは、体心正方晶ルテニウムが室温で強磁性を示すことを実証した。^{[ 14 ]}

最近の研究では、電流や電圧によって一部の材料に強磁性を誘起できるという証拠が示されています。反強磁性体であるLaMnO ₃とSrCoOは、電流によって強磁性体へと変化しました。2020年7月、科学者たちは、豊富な反磁性体である黄鉄鉱（「愚者の金」）に電圧を印加することで強磁性を誘起したと報告しました。^{[ 15 ] [ 16 ]}これらの実験では、強磁性は薄い表面層に限られていました。

電子の基本的な性質の一つ（電荷を運ぶこと以外に）は、磁気双極子モーメントを持つこと、つまり、小さな磁石のように振る舞い、磁場を生成することです。この双極子モーメントは、電子のより基本的な性質である量子力学的スピンに由来します。量子的な性質のため、電子のスピンは2つの状態のいずれかしか取ることができず、磁場は「上向き」または「下向き」のいずれかを向きます（上向きと下向きは任意の値をとります）。原子内の電子スピンは強磁性の主な原因ですが、原子核の周りの電子の軌道角運動量も寄与しています。物質中のこれらの磁気双極子が整列（同じ方向を向く）すると、個々の微小な磁場が合わさって、はるかに大きな巨視的な磁場が生成されます。

しかし、電子殻が満たされた原子で構成された物質は、全双極子モーメントがゼロになります。これは、電子がすべて反対のスピンを持つペアで存在するため、各電子の磁気モーメントがペア内のもう一方の電子の反対のモーメントによって相殺されるためです。部分的に満たされた殻（つまり、不対スピン）を持つ原子のみが正味の磁気モーメントを持つことができるため、強磁性は部分的に満たされた殻を持つ物質でのみ発生します。フントの規則により、他に占有されていない殻の最初の数個の電子は同じスピンを持つ傾向があり、それによって全双極子モーメントが増加します。

これらの不対双極子（一般的には軌道角運動量も含むが、単に「スピン」と呼ばれることが多い）は、外部磁場に平行に整列する傾向があり、常磁性と呼ばれる巨視的な効果をもたらします。一方、強磁性では、隣接する原子の磁気双極子間の磁気相互作用が非常に強いため、印加磁場に関係なく互いに整列し、いわゆるドメインの自発的な磁化が生じます。これが、強磁性体の大きな透磁率や、磁気的に硬い材料が永久磁石を形成できる理由です。 

近接する2つの原子が不対電子を持つ場合、電子スピンが平行か反平行かによって、交換相互作用と呼ばれる量子力学的効果の結果として、電子が同じ軌道を共有できるかどうかが左右されます。これは、電子の位置とクーロン（静電）相互作用に影響を与え、ひいてはこれらの状態間のエネルギー差に影響を与えます。

交換相互作用はパウリの排他原理と関連しており、同じスピンを持つ2つの電子は同じ空間状態（軌道）には存在できないことを示しています。これはスピン統計定理と電子がフェルミオンであることから導かれる結果です。したがって、特定の条件下では、隣接する原子の不対外価電子の軌道が重なり合うとき、電子のスピンが平行な場合、反対のスピンを持つ場合よりも、空間における電荷分布は離れていきます。これにより、スピンが平行なときの電子の静電エネルギーは、スピンが反平行なときのエネルギーよりも小さくなるため、平行スピン状態の方が安定します。このエネルギー差は交換エネルギーと呼ばれます。簡単に言えば、互いに反発し合う隣接する原子の外殻電子は、スピンを同じ方向に揃えることで、より離れることができるのです。

このエネルギー差は、双極子の向きによる磁気双極子-双極子相互作用に伴うエネルギー差よりも桁違いに大きくなる可能性があり、 ^{[ 18 ]}双極子は反平行に整列する傾向があります。特定のドープされた半導体酸化物では、RKKY相互作用が周期的な長距離磁気相互作用を引き起こすことが示されており、これはスピントロニクス材料の研究において重要な現象です。^{[ 19 ]}

交換相互作用が競合する双極子-双極子相互作用よりもはるかに強い材料は、しばしば磁性材料と呼ばれます。たとえば、鉄 (Fe) では、交換力は双極子相互作用の約 1,000 倍強いです。したがって、キュリー温度以下では、強磁性材料中のほぼすべての双極子が整列します。強磁性に加えて、交換相互作用は、磁性固体で発生する原子磁気モーメントの他のタイプの自発的秩序、反強磁性およびフェリ磁性の原因でもあります。さまざまな強磁性体、^{[ 20 ]}フェリ磁性体、および反強磁性体で磁性を生み出すさまざまな交換相互作用メカニズムがあります。これらのメカニズムには、直接交換、 RKKY 交換、二重交換、および超交換が含まれます。

交換相互作用はスピンを整列させるが、特定の方向に整列させるわけではない。磁気異方性がない場合、磁石内のスピンは熱ゆらぎに応じてランダムに方向を変え、磁石は超常磁性となる。磁気異方性にはいくつかの種類があり、最も一般的なのは磁気結晶異方性である。これは、結晶格子に対する磁化の方向に対するエネルギーの依存性である。異方性のもう1つの一般的な原因である逆磁歪は、内部歪みによって誘発される。単磁区磁石は、粒子の形状の静磁気効果により形状異方性を持つこともある。磁石の温度が上昇すると、異方性は減少する傾向があり、超常磁性への遷移が起こるブロッキング温度が存在することが多い。 ^{[ 21 ]}

強磁性体における磁気双極子の自発的な整列は、すべてのスピンが整列しているため、強磁性体のあらゆる部分が強い磁場を持つはずであることを示唆しているように思われる。しかし、鉄やその他の強磁性体はしばしば「非磁化」状態にあることがわかっている。これは、強磁性体の塊が磁気ドメイン^{[ 22 ]} （ワイスドメインとも呼ばれる）と呼ばれる微小な領域に分割されているためである。各ドメイン内ではスピンは整列しているが、塊状物質が最低エネルギー構成（つまり「非磁化」）にある場合、別々のドメインのスピンは異なる方向を向いており、それらの磁場が打ち消し合うため、塊状物質には正味の大規模な磁場がない。

強磁性体は、交換相互作用が短距離力であるため、多数の原子が長距離にわたって磁気双極子が反対方向に配向することでエネルギーを減少させようとする傾向が優勢となり、自発的に磁気ドメインに分裂します。強磁性体中のすべての双極子が平行に整列すると、周囲の空間に広がる大きな磁場が発生します。この磁場には大量の静磁エネルギーが含まれています。強磁性体は、異なる方向を向いた多数のドメインに分裂することでこのエネルギーを減少させ、磁場を材料内の小さな局所的な磁場に閉じ込め、磁場の体積を減少させることができます。ドメインは、数分子の厚さの薄いドメイン壁によって隔てられており、その壁内で双極子の磁化方向は一方のドメインの方向から他方のドメインの方向へと滑らかに回転します。

したがって、最もエネルギーの低い状態（「非磁化」状態）にある鉄片は、一般的に正味の磁場がほとんど、あるいは全くありません。しかし、物質中の磁気ドメインは固定されているわけではなく、単に電子のスピンが磁場によって自発的に整列した領域であり、外部磁場によって変化する可能性があります。十分に強い外部磁場を物質に加えると、ドメイン壁は移動します。この過程では、一方のドメインの壁付近の原子の電子のスピンが外部磁場の影響を受けて回転し、もう一方のドメインの電子と同じ方向を向くようになります。これによりドメインの向きが変わり、より多くの双極子が外部磁場と整列します。外部磁場を取り除いてもドメインは整列したままであり、それらが合わさって物質の周囲の空間に広がる独自の磁場を生成し、「永久磁石」となります。磁場を取り除いても、磁区壁が結晶格子の欠陥に「固定」または「引っかかり」、平行な向きを維持する傾向があるため、磁区は元の最小エネルギー配置に戻りません。これはバルクハウゼン効果によって示されます。磁化磁場が変化すると、磁区壁が突然欠陥を「飛び越える」ため、材料の磁化は何千もの小さな不連続なジャンプで変化します。

外部磁場に対する磁化の変化は、ヒステリシス曲線によって表されます。磁化された強磁性体において見られるこの整列した磁区の状態は、最小エネルギー配置ではありませんが、準安定状態であり、長期間持続する可能性があります。これは、海底から採取された磁鉄鉱のサンプルが数百万年にわたって磁化を維持していることからも明らかです。

磁化された材料を加熱してから冷却する（焼きなまし）こと、ハンマーで叩いて振動させること、または消磁コイルから高速で振動する磁場を印加することは、磁区壁を固定状態から解放し、磁区境界がより弱い外部磁場を持つ低エネルギー配置に戻る傾向があり、その結果、材料が脱磁される。

市販の磁石は、アルニコやフェライトなど、磁気異方性が非常に大きい「硬磁性」または「フェリ磁性」材料で作られています。これらの材料は、磁化が結晶の1つの軸、すなわち「容易軸」に沿って強く集中する傾向があります。製造過程では、強力な磁場中で様々な冶金処理が施され、結晶粒が整列して、すべての磁化の「容易軸」が同じ方向を向くようになります。このようにして、磁化とそれに伴う磁場は材料の結晶構造に「組み込まれ」、消磁が非常に困難になります。

物質の温度が上昇すると、熱運動、すなわちエントロピーが、双極子が整列しようとする強磁性の傾向と競合します。温度がキュリー温度と呼ばれるある点を超えると、二次相転移が起こり、系はもはや自発的な磁化を維持できなくなるため、磁化される能力や磁石に引き付けられる能力は失われますが、外部磁場に対しては常磁性的に反応します。その温度以下では、自発的な対称性の破れが起こり、磁気モーメントが隣接するモーメントと整列します。キュリー温度自体は臨界点であり、磁化率は理論的に無限大となり、正味の磁化は存在しないものの、ドメイン状のスピン相関があらゆる長さスケールで変動します。