Magnétisme des diélectriques et des semi-conducteurs

Contrairement aux métaux, les diélectriques et les semi-conducteurs n'ont généralement pas d'électrons itinérants. Donc, moments magnétiques dans ces substances, ils sont localisés avec les électrons dans les états ioniques. C'est la principale différence. magnétisme des métaux, décrit par la théorie des bandes, par le magnétisme des diélectriques et des semi-conducteurs.

Selon la théorie des bandes, les diélectriques sont des cristaux contenant un nombre pair électrons… Cela signifie que les diélectriques ne peuvent exposer propriétés diamagnétiques, ce qui n'explique cependant pas certaines des propriétés de nombreuses substances de ce type.

En effet, le paramagnétisme des électrons localisés, ainsi que le ferro- et l'antiferromagnétisme (l'un des états magnétiques d'une substance, caractérisé par le fait que les moments magnétiques des particules voisines de la substance sont orientés l'un vers l'autre, et donc l'aimantation de le corps dans son ensemble est très petit) des diélectriques est le résultat de la répulsion mutuelle coulombienne des électrons (l'énergie d'interaction coulombienne des électrons Uc dans les atomes réels varie de 1 à 10 électron-volts ou plus).

Supposons qu'un électron supplémentaire soit apparu dans un atome isolé, ce qui a fait augmenter son énergie de la valeur e. Cela signifie que l'électron suivant est dans le niveau d'énergie Uc + e. À l'intérieur du cristal, les niveaux d'énergie de ces deux électrons se divisent en bandes, et tant que la bande interdite existe, le cristal est soit un semi-conducteur, soit un diélectrique.

Ensemble, les deux zones contiennent généralement un nombre pair d'électrons, mais une situation peut survenir où seule la zone inférieure est remplie et le nombre d'électrons qu'elle contient est impair.

Un tel diélectrique est appelé Diélectrique de Mott-Hubbard… Si les intégrales de chevauchement sont petites, alors le diélectrique présentera du paramagnétisme, sinon il y aura un antiferromagnétisme prononcé.

Les diélectriques tels que CrBr3 ou EuO présentent un ferromagnétisme basé sur une interaction de superéchange. La majorité des diélectriques ferromagnétiques sont constitués d'ions magnétiques 3d séparés par des ions non magnétiques.

Dans une situation où la distance d'interaction directe des orbitales 3d les unes avec les autres est grande, l'interaction d'échange est toujours possible - en chevauchant les fonctions d'onde des orbitales 3d d'ions magnétiques et des orbitales p d'anions non magnétiques.

Les orbitales de deux types "se mélangent", leurs électrons deviennent communs à plusieurs ions - c'est l'interaction de superéchange. Le fait qu'un tel diélectrique soit ferromagnétique ou antiferromagnétique est déterminé par le type d'orbitales d, le nombre de leurs électrons, ainsi que par l'angle sous lequel une paire d'ions magnétiques est vue d'où se trouve l'ion non magnétique.

Une interaction d'échange antisymétrique (appelée interaction Dzialoszinski-Moria) entre deux cellules de vecteurs de spin S1 et S2 n'a d'énergie non nulle que si les cellules en question ne sont pas magnétiquement équivalentes.

Une interaction de ce type est observée dans certains antiferromagnétiques sous forme de faible aimantation spontanée (sous forme de ferromagnétisme faible), c'est-à-dire que l'aimantation est d'un millième par rapport avec aimantation des ferromagnétiques conventionnels… Exemples de telles substances : hématite, carbonate de manganèse, carbonate de cobalt.