Magnetismus von Dielektrika und Halbleitern
Im Gegensatz zu Metallen verfügen Dielektrika und Halbleiter normalerweise nicht über wandernde Elektronen. Deshalb, magnetische Momente in diesen Stoffen sind sie zusammen mit Elektronen in ionischen Zuständen lokalisiert. Dies ist der Hauptunterschied. Magnetismus von Metallen, beschrieben durch die Bandtheorie, durch den Magnetismus von Dielektrika und Halbleitern.
Dielektrika sind nach der Bandentheorie Kristalle mit einer geraden Zahl Elektronen… Das bedeutet, dass Dielektrika nur exponieren können diamagnetische Eigenschaften, was jedoch einige Eigenschaften vieler Stoffe dieser Art nicht erklärt.
Tatsächlich Paramagnetismus lokalisierter Elektronen sowie Ferro- und Antiferromagnetismus (einer der magnetischen Zustände eines Stoffes, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die magnetischen Momente benachbarter Teilchen des Stoffes zueinander ausgerichtet sind und daher die Magnetisierung von Der Körper als Ganzes ist sehr klein) von Dielektrika ist das Ergebnis der gegenseitigen Coulomb-Abstoßung von Elektronen (die Coulomb-Wechselwirkungsenergie der Elektronen Uc in realen Atomen liegt zwischen 1 und 10 oder mehr Elektronenvolt).
Angenommen, in einem isolierten Atom erschien ein zusätzliches Elektron, wodurch sich seine Energie um den Wert e erhöhte. Das bedeutet, dass sich das nächste Elektron im Energieniveau Uc + e befindet. Im Inneren des Kristalls spalten sich die Energieniveaus dieser beiden Elektronen in Bänder auf, und solange die Bandlücke besteht, ist der Kristall entweder ein Halbleiter oder ein Dielektrikum.
Zusammen enthalten die beiden Zonen normalerweise eine gerade Anzahl an Elektronen, es kann jedoch auch vorkommen, dass nur die untere Zone gefüllt ist und die Anzahl der Elektronen darin ungerade ist.
Ein solches Dielektrikum heißt Mott-Hubbard-Dielektrikum… Sind die Überlappungsintegrale klein, dann weist das Dielektrikum Paramagnetismus auf, andernfalls liegt ein ausgeprägter Antiferromagnetismus vor.
Dielektrika wie CrBr3 oder EuO weisen Ferromagnetismus auf, der auf Superaustauschwechselwirkungen basiert. Der Großteil der ferromagnetischen Dielektrika besteht aus magnetischen 3D-Ionen, getrennt durch nichtmagnetische Ionen.
In einer Situation, in der der Abstand für die direkte Wechselwirkung der 3D-Orbitale untereinander groß ist, ist eine Austauschwechselwirkung immer noch möglich – durch Überlappung der Wellenfunktionen der 3D-Orbitale magnetischer Ionen und p-Orbitale nichtmagnetischer Anionen.
Orbitale zweier Typen „mischen sich“, ihre Elektronen werden mehreren Ionen gemeinsam – das ist die Superaustausch-Wechselwirkung. Ob ein solches Dielektrikum ferromagnetisch oder antiferromagnetisch ist, wird durch die Art der d-Orbitale, die Anzahl ihrer Elektronen und auch durch den Winkel bestimmt, in dem ein magnetisches Ionenpaar von der Position des nichtmagnetischen Ions aus gesehen wird.
Eine antisymmetrische Austauschwechselwirkung (Dzialoszinski-Moria-Wechselwirkung genannt) zwischen zwei Zellen mit den Spinvektoren S1 und S2 hat nur dann eine Energie ungleich Null, wenn die betreffenden Zellen magnetisch nicht äquivalent sind.
Eine solche Wechselwirkung wird bei einigen Antiferromagneten in Form einer schwachen spontanen Magnetisierung (in Form eines schwachen Ferromagnetismus) beobachtet, das heißt, die Magnetisierung beträgt ein Tausendstel im Vergleich mit Magnetisierung herkömmlicher Ferromagnete… Beispiele für solche Stoffe: Hämatit, Mangancarbonat, Kobaltcarbonat.