Magnetismul dielectricilor și semiconductorilor
Spre deosebire de metale, dielectricii și semiconductorii nu au de obicei electroni itineranți. Prin urmare, momente magnetice in aceste substante sunt localizate impreuna cu electronii in stari ionice. Aceasta este principala diferență. magnetismul metalelor, descris de teoria benzilor, de magnetismul dielectricilor si semiconductorilor.
Conform teoriei benzilor, dielectricii sunt cristale care conțin un număr par electroni… Aceasta înseamnă că dielectricii pot doar expune proprietăți diamagnetice, care însă nu explică unele dintre proprietățile multor substanțe de acest tip.
De fapt, paramagnetismul electronilor localizați, precum și fero- și antiferomagnetismul (una dintre stările magnetice ale unei substanțe, caracterizată prin faptul că momentele magnetice ale particulelor învecinate ale substanței sunt orientate unul spre celălalt și, prin urmare, magnetizarea corpul în ansamblu este foarte mic) a dielectricilor este rezultatul respingerii reciproce coulombiane a electronilor (energia de interacțiune coulombiană a electronilor Uc în atomi reali variază de la 1 la 10 electronvolți sau mai mulți).
Să presupunem că într-un atom izolat a apărut un electron suplimentar, ceea ce a determinat ca energia acestuia să crească cu valoarea e. Aceasta înseamnă că următorul electron se află la nivelul de energie Uc + e. În interiorul cristalului, nivelurile de energie ale acestor doi electroni se împart în benzi și, atâta timp cât există banda interzisă, cristalul este fie un semiconductor, fie un dielectric.
Împreună, cele două zone conțin de obicei un număr par de electroni, dar poate apărea o situație în care numai zona inferioară este umplută și numărul de electroni din ea este impar.
Un astfel de dielectric se numește dielectric Mott-Hubbard… Dacă integralele de suprapunere sunt mici, atunci dielectricul va prezenta paramagnetism, altfel va exista un antiferomagnetism pronunțat.
Dielectricii precum CrBr3 sau EuO prezintă feromagnetism bazat pe interacțiunea superexchange. Majoritatea dielectricilor feromagnetici constau din ioni magnetici 3d separați de ioni nemagnetici.
Într-o situație în care distanța pentru interacțiunea directă a orbitalilor 3d unul cu celălalt este mare, interacțiunea de schimb este încă posibilă - prin suprapunerea funcțiilor de undă ale orbitalilor 3d ai ionilor magnetici și ale orbitalilor p ale anionilor nemagnetici.
Orbitalii de două tipuri „se amestecă”, electronii lor devin comuni pentru mai mulți ioni - aceasta este interacțiunea de supraschimb. Dacă un astfel de dielectric este feromagnetic sau antiferomagnetic este determinat de tipul de orbitali d, numărul de electroni ai acestora și, de asemenea, de unghiul la care o pereche de ioni magnetici este văzută de unde se află ionul nemagnetic.
O interacțiune de schimb antisimetric (numită interacțiune Dzialoszinski-Moria) între două celule cu vectori de spin S1 și S2 are energie diferită de zero numai dacă celulele în cauză nu sunt echivalente magnetic.
O interacțiune de acest tip se observă la unii antiferomagneți sub formă de magnetizare spontană slabă (sub formă de feromagnetism slab), adică magnetizarea este o miime în comparație cu magnetizarea feromagneţilor convenţionali… Exemple de astfel de substanțe: hematită, carbonat de mangan, carbonat de cobalt.