강자성

Ferromagnetism
페리마그네틱과 혼동하지 말 것.
강자성 철 합금인 알니코로 만든 자석과 그 키퍼
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상사성, 강자성 및 스핀파

강자성은 특정 물질(철 등)이 영구 자석을 형성하거나 자석에 끌리는 기본적인 메커니즘입니다.물리학에서, 몇 가지 다른 종류의 자기들이 구별된다.강자성은 (유사 효과 강자성과 함께) 가장 강한 유형으로 일상생활에서 [1]마주치는 자석의 일반적인 현상을 일으킨다.물질은 자기장에 약하게 반응하지만, 그 힘은 보통 실험실의 민감한 기기로만 감지될 수 있을 정도로 약하다.강자성의 일상적인 예는 냉장고 문에 메모를 보관하기 위해 사용되는 냉장고 자석이다.자석과 강자성 물질 사이의 매력은 "고대 세계와 오늘날 우리에게 가장 먼저 보이는 자성의 품질"[2]이다.

영구 자석(외부 자기장에 의해 자화될 수 있고 외부 자기장이 제거된 후에도 자화된 상태로 유지되는 물질)은 눈에 띄게 끌리는 재료와 마찬가지로 강자성 또는 강자성입니다.극소수의 물질만이 강자성을 띤다.일반적인 것은 철, 코발트, 니켈과 대부분의 합금, 그리고 희토류 금속의 일부 화합물이다.강자성은 산업 및 현대 기술에서 매우 중요하며 전자석, 전기 모터, 발전기, 변압기 및 테이프 레코더, 하드 디스크와 같은 자기 저장 장치와 철 재료의 비파괴 테스트의 기초가 됩니다.

강자성 재료는 자화할 수 있지만 계속 자화되는 경향이 없는 아닐 철과 같은 자기적으로 "부드러운" 재료와 자기적으로 "하드" 재료들로 나눌 수 있습니다.영구 자석은 알니코와 같은 '경질' 강자성 물질과 페라이트 같은 페리마그네틱 물질로 만들어지며, 제조 과정에서 강한 자기장에서 특수 가공을 거쳐 내부의 미세 결정 구조를 정렬하기 때문에 소자하기가 매우 어렵습니다.포화 자석을 소자하려면 특정 자기장이 적용되어야 하며, 이 역치는 각 물질의 보자기력에 의존합니다."하드" 재료는 강압력이 높은 반면, "소프트" 재료는 강압력이 낮습니다.자석의 전체 강도는 자석의 모멘트 또는 자석이 생성하는 총 자속으로 측정됩니다.물질 내 자성의 국소 강도는 자화에 의해 측정된다.

페리마그네틱과의 역사와 차이점

강자성 재료: 모든 분자 자기 쌍극자가 동일한 방향을 가리키고 있습니다.
페리 자성 재료: 쌍극자 중 일부는 반대 방향을 가리키지만, 그 작은 기여는 다른 것에 의해 극복됩니다.

역사적으로 강자성이라는 용어는 자연 자화를 나타낼 수 있는 모든 물질에 사용되었습니다: 외부 자기장이 없는 순 자기 모멘트; 그것은 자석이 될 수 있는 모든 물질입니다.이 일반적인 정의는 여전히 일반적으로 [3]사용되고 있습니다.

하지만, 1948년 획기적인 논문에서, 루이 네엘은 이러한 행동을 일으키는 두 가지 수준의 자기 정렬이 있다는 것을 보여주었다.하나는 모든 자기 모멘트가 정렬되는 엄밀한 의미의 강자성입니다.또 다른 하나는 페리 자기장으로, 일부 자기 모멘트는 반대 방향을 가리키지만 기여도가 작기 때문에 여전히 자연 [4][5]: 28–29 자화가 존재합니다.

마주보는 모멘트가 완전히 균형을 이루는 특수한 경우 정렬을 반강자성이라고 합니다.따라서 반강자석은 자연 자화를 하지 않는다.

강자성 재료

참고 항목: 카테고리:강자성 재료
일부 결정성 강자성[6][7] 재료의 퀴리 온도
재료. 퀴리
temp. (K)
회사 1388
Fe 1043
Fe2O3[a] 948
니오페오23[a] 858
쿠오페오23[a] 728
MgOFe2O3[a] 713
MnBi 630
니 627
Nd2Fe14 B 593
MnSb 587
MnOFe2O3[a] 573
Y3Fe5O12[a] 560
CrO2 386
MnAs 318
Gd 292
Tb 219
Dy 88
EuO 69
  1. ^ a b c d e f 페리마그네틱 재료

강자성은 소수의 물질에서만 발생하는 특이한 특성이다.일반적인 것은 전이 금속 철, 니켈, 코발트 및 이들의 합금과 희토류 금속의 합금이다.이것은 물질의 화학적 구성뿐만 아니라 결정 구조와 미세 구조의 특성입니다.그들의 강자성은 철과 그 친척의 경우 d-블록에 많은 미쌍 전자를 가지고 있거나 희토류 금속의 경우 f-블록, 즉 Hund의 최대 다배율 법칙의 결과이다.프리츠 호이슬러의 이름을 딴 호이슬러 합금이라고 불리는 강자성 금속 합금이 있습니다.반대로 스테인리스강과 같은 거의 전적으로 강자성 금속으로만 구성된 비자성 합금이 있습니다.

액상합금의 매우 빠른 담금질(냉각)에 의해 비정질(비결정) 강자성 금속합금을 만들 수 있다.이것들은 특성이 거의 등방성에 가깝다는 장점이 있다(결정축을 따라 정렬되지 않음). 이는 낮은 보자기력, 낮은 이력 손실, 높은 투과성 및 높은 전기 저항을 초래한다.이러한 전형적인 재료 중 하나는 전이 금속(일반적으로 Fe, Co 또는 Ni)과 용해점을 낮추는 금속 성분(B, C, Si, P 또는 Al)으로 만들어진 전이 금속-금속 합금입니다.

비교적 새로운 종류의 매우 강한 강자성 물질은 희토류 자석이다.잘 국재화된 f-오비탈에서 큰 자기 모멘트를 전달하는 것으로 알려진 란타니드 원소가 포함되어 있습니다.

이 표에는 강자성 화합물 및 강자성 화합물 선택과 함께 자연 자화가 더 이상 나타나지 않는 온도가 나와 있습니다(퀴리 온도 참조).

특이한 소재

전도성 전자가 강자성 상호작용을 매개하는 역할을 하기 때문에 대부분의 강자성 물질은 금속입니다.따라서 강자성 절연체, 특히 강자성 및 [8]강유전체인 다층성 재료를 개발하는 것은 어려운 과제입니다.

많은 액티니드 화합물은 상온에서 강자석이거나 냉각 시 강자성을 나타낸다.PuP는 상온에서 입방체 대칭을 갖는 파라자넷이지만, TC=125K 이하로 냉각되면 강자성 질서의 사각형 상태로 구조적으로 전이된다.강자성 상태에서는 PuP의 이지축은 '100' [9]방향입니다.

NpFe에서는2 이지축은 '111'[10]입니다.T2 500 500 K 이상에서는C NpFe도 상사성 입방체이다.퀴리 온도 이하로 냉각하면 마름모꼴 왜곡이 발생하며, 마름모꼴 각도가 60°(입방상)에서 60.53°로 변화합니다.이 왜곡에 대한 또 다른 설명은 고유한 삼각축을 따른 길이 c(왜곡 시작 후)와 a를 c에 수직인 평면 내의 거리로 간주하는 것입니다.입방체 단계에서 이는 c/a = 1.00으로 감소한다.퀴리 온도 미만

악티니드 [11]화합물 중 가장 큰 변종입니다NpNi는2 (43 ± 5) × [11]10의−4 변형률로 T = 32 K 이하에서C 유사한 격자 왜곡을 겪는다.NpCo는2 15K 미만의 페리마그넷입니다

2009년 MIT 물리학자 팀은 1켈빈 이하로 냉각된 리튬 가스가 강자성을 [12]나타낼 수 있다는 것을 증명했다.연구팀은 적외선 레이저 냉각을 이용해 페르미온 리튬-6를 150nK(1500억분의 1켈빈) 미만으로 냉각시켰다.기체 내에서 강자성이 입증된 것은 이번이 처음이다.

2018년 미네소타 대학 물리학자 팀은 체심 사각형 루테늄이 상온에서 [13]강자성을 보인다는 것을 증명했다.

전기 유도 강자성

최근의 연구는 강자성이 전류나 전압에 의해 일부 물질에서 유도될 수 있다는 증거를 보여주었다.반강자성3 LaMnO 및 SrCoO는 전류에 의해 강자성으로 전환되었습니다.2020년 7월 과학자들은 인가된 [14][15]전압에 의해 풍부한 반자성 물질인 철황철광("fool's gold")에서 강자성을 유발한다고 보고했다.이러한 실험에서 강자성은 얇은 표면층으로 제한되었다.

설명.

1910년대에 발견된 Bohr-Van Leeuwen 정리는 고전 물리학 이론이 강자성을 포함한 어떤 형태의 자기도 설명할 수 없다는 것을 보여주었다.자성은 이제 순수하게 양자역학적 효과로 간주된다.강자성은 양자역학으로부터의 두 가지 효과로 인해 발생한다: 스핀과 파울리 배타 [16]원리.

자기 발생원

전자의 기본 특성 중 하나는 (전하를 전달하는 것 외에) 자기 쌍극자 모멘트를 가지고 있다는 것입니다. 즉, 자기장을 생성하는 작은 자석처럼 행동합니다.이 쌍극자 모멘트는 양자역학적 스핀을 갖는 전자의 보다 근본적인 특성에서 비롯된다.양자 특성 때문에, 전자의 스핀은 오직 두 가지 상태 중 하나에 있을 수 있습니다; 자기장이 "위" 또는 "아래"를 가리킵니다.원자에서 전자의 스핀은 강자성의 주요 원천이지만, 원자핵 주위의 전자의 궤도 각운동량으로부터도 기여가 있다.물질의 한 조각에 있는 이러한 자기 쌍극자가 정렬될 때, 각각의 작은 자기장이 합쳐져서 훨씬 더 큰 거시적인 장을 만듭니다.

하지만, 전자 껍질이 채워진 원자로 만들어진 물질들은 총 쌍극자 모멘트가 0이다: 모든 전자들이 반대 스핀과 함께 쌍으로 존재하기 때문에, 모든 전자의 자기 모멘트는 쌍에 있는 두 번째 전자의 반대 모멘트에 의해 상쇄된다.부분적으로 채워진 껍질(즉, 짝을 이루지 않은 스핀)을 가진 원자만이 순 자기 모멘트를 가질 수 있으므로, 강자성은 부분적으로 채워진 껍질이 있는 물질에서만 발생합니다.훈드의 법칙 때문에, 껍데기 안의 처음 몇 개의 전자는 같은 스핀을 갖는 경향이 있고, 따라서 전체 쌍극자 모멘트를 증가시킨다.

이러한 쌍극자(일반적으로 궤도 각운동량을 포함함에도 불구하고 단순히 "척추"라고 불리는)는 외부 자기장과 평행하게 정렬하는 경향이 있는데, 이는 상사성이라고 불립니다.그러나 강자성은 추가적인 현상을 수반합니다. 즉, 몇몇 물질에서는 쌍극자가 자발적으로 정렬되어, 적용된 필드가 없을 때에도 자발적인 자화를 일으키는 경향이 있습니다.

교환 상호 작용

주요 기사:교환 상호 작용

근처에 있는 두 원자가 짝을 이루지 않은 전자를 가지고 있을 때, 전자 스핀이 평행인지 반평행인지는 교환 상호작용이라고 불리는 양자 역학적 효과의 결과로 전자가 같은 궤도를 공유할 수 있는지 여부에 영향을 미친다.이는 차례로 전자 위치와 쿨롱(정전기) 상호작용에 영향을 미치고, 따라서 이들 상태 사이의 에너지 차이에 영향을 미칩니다.

교환 상호작용은 동일한 스핀을 가진 두 전자가 동일한 공간 상태(궤도)에 있을 수 없다는 파울리 배제 원리와 관련이 있습니다.이것은 스핀 통계 정리의 결과이며 전자는 페르미온이다.따라서, 특정한 조건 하에서, 인접한 원자로부터 짝을 이루지 않은 외부 원자가 전자의 궤도가 겹칠 때, 우주에서의 전하의 분포는 전자가 평행 스핀을 가질 때보다 더 멀리 떨어져 있습니다.이는 스핀이 평행할 때 전자의 정전기 에너지를 반평행일 때 에너지보다 감소시켜 평행 스핀 상태가 더 안정적이다.이 에너지 차이는 교환 에너지라고 불립니다.간단히 말해서, 서로 밀어내는 인접한 원자의 외부 전자는 그들의 스핀을 평행하게 정렬함으로써 더 멀리 떨어져 움직일 수 있기 때문에, 이러한 전자의 스핀은 정렬하는 경향이 있다.

이 에너지 차이는 쌍극자 [17]방향 때문에 자기 쌍극자-쌍극자 상호작용과 관련된 에너지 차이보다 훨씬 클 수 있으며, 쌍극자 반평행을 정렬하는 경향이 있다.특정 도프된 반도체 산화물 RKKY 상호작용은 스핀트로닉 [18]재료 연구에 중요한 현상인 장기 자기 상호작용을 주기적으로 발생시키는 것으로 나타났습니다.

교환 상호작용이 경쟁하는 쌍극자-쌍극자 상호작용보다 훨씬 강한 물질을 흔히 자성 물질이라고 한다.예를 들어 철(Fe)에서 교환력은 쌍극자 상호작용의 약 1000배입니다.따라서 퀴리 온도 이하에서는 강자성 재료의 거의 모든 쌍극자가 정렬됩니다.강자성 외에, 교환 상호작용은 자성 고체, 반강자성 및 강자성에서 발생하는 원자 자기 모멘트의 다른 유형의 자발적 순서를 담당한다.서로 다른 강자성, 강자성 및 반강자성 물질에서 자성을 생성하는 서로 다른 교환 상호작용 메커니즘이 있습니다.이러한 메커니즘에는 직접 교환, RKKY 교환, 이중 교환 및 초교환이 포함됩니다.

자기 이방성

주요 기사: 자기 이방성

교환 상호작용은 스핀을 정렬 상태로 유지하지만 특정 방향으로 정렬하지는 않습니다.자기 이방성이 없으면, 자석내의 스핀은 열변동에 따라 랜덤으로 방향을 바꾸고, 자석은 초파라매틱입니다.자기 이방성에는 몇 가지 종류가 있는데, 가장 일반적인 것은 자기 결정 이방성입니다.이것은 결정학적 격자에 대한 자화 방향에 대한 에너지의 의존입니다.이방성의 또 다른 공통적인 원천인 역자기저항은 내부 변형에 의해 유도된다.단도메인 자석은 입자 형상의 정전기 효과로 인해 형상 이방성을 가질 수도 있다.자석의 온도가 상승하면 이방성은 감소하는 경향이 있으며, 종종 초파라매트릭으로 [19]이행하는 차단 온도가 있습니다.

자기 영역

입상형 전기실리콘강의 전자동적 자기영역운동
자기 영역을 나타내는 금속 표면의 커 마이크로그래프(Kerh micrograph), 반대 방향의 자화 방향을 나타내는 빨간색과 녹색 줄무늬
주요 기사: 자기 도메인

위의 내용은 모든 스핀이 정렬되어 있기 때문에 모든 강자성 물질의 조각이 강한 자기장을 가져야 한다는 것을 시사하는 것으로 보이지만, 철과 다른 강자성체들은 종종 "자기화되지 않은" 상태로 발견됩니다.그 이유는 강자성 물질의 큰 조각이 자기[20] 영역이라고 불리는 작은 영역으로 분할되기 때문입니다.각 영역 내에서 스핀은 정렬되지만(벌크 재료가 가장 낮은 에너지 구성일 경우, 즉 자화되지 않은 경우), 개별 도메인의 스핀은 다른 방향을 가리키며 그 자기장은 상쇄되므로 물체는 순 대규모 자기장을 가지지 않습니다.

강자성 물질은 교환 상호작용이 단거리 힘이기 때문에 자연스럽게 자기 영역으로 분할되기 때문에 많은 원자의 장거리에서는 자기 쌍극자가 반대 방향으로 방향을 잡아 에너지를 감소시키는 경향이 이긴다.만약 강자성 재료의 모든 쌍극자가 평행하게 정렬된다면, 그것은 주변의 공간으로 뻗어나가는 큰 자기장을 생성한다.이것은 많은 정전기 에너지를 포함하고 있습니다.재료는 서로 다른 방향을 가리키는 여러 영역으로 분할하여 이 에너지를 줄일 수 있습니다. 따라서 자기장이 재료의 작은 국소장으로 제한되고, 그 부피가 감소합니다.도메인은 두께가 얇은 도메인 벽으로 분리되어 있으며, 이중극의 자화 방향이 한 도메인의 방향에서 다른 도메인으로 부드럽게 회전합니다.

자화 재료

커 현미경으로 관찰되는 "하향" 방향으로 증가하는 외부 자기장에 의해 발생하는 실리콘강 입자의 영역 벽 이동.흰색 영역은 자화 방향이 상향인 도메인이고 어두운 영역은 자화 방향이 하향인 도메인입니다.

따라서, 가장 낮은 에너지 상태에 있는 철 조각("자기화되지 않음")은 일반적으로 순 자기장이 거의 또는 전혀 없습니다.그러나 물질 내의 자기 영역은 제자리에 고정되어 있지 않으며, 단순히 전자의 스핀이 자기장으로 인해 자발적으로 정렬된 영역이며, 따라서 외부 자기장에 의해 변경될 수 있습니다.만약 충분히 강한 외부 자기장이 물질에 적용된다면, 도메인 벽은 다른 도메인의 전자와 같은 방향으로 향하는 외부 필드의 영향 하에 회전하는 한 도메인의 벽 근처의 원자에 있는 전자의 스핀의 과정에 의해 움직일 것이고, 따라서 도메인은 더 많은 다이폴의 전자와 같은 방향으로 방향을 바꿀 것입니다.는 외부 필드에 맞춰져 있습니다.외부 필드가 제거될 때 도메인은 정렬된 상태로 유지되며, 물질 주변의 공간으로 확장되는 자체 자기장을 생성하며, 따라서 "영구적인" 자석이 생성됩니다.도메인은 필드를 삭제해도 원래 최소 에너지 구성으로 돌아가지 않습니다.이는 도메인 벽이 결정 격자의 결함에 대해 "핀" 또는 "스태그"되어 평행한 방향을 유지하는 경향이 있기 때문입니다.이것은 Barkhausen 효과로 나타납니다.자화장이 변화함에 따라 도메인 벽이 갑자기 과거의 결함을 "스냅"하면서 자화가 수천 번의 미세한 불연속적인 점프로 변화합니다.

외부 필드의 함수로서의 이 자화는 이력 곡선으로 설명됩니다.비록 자화된 강자성 물질에서 발견되는 정렬된 도메인의 상태는 최소 에너지 구성이 아니지만, 수백만 년 동안 자화를 유지한 해저에서 나온 자철석 샘플에서 알 수 있듯이, 이것은 전이 가능하고 장기간 지속될 수 있습니다.

자화물질을 가열하여 냉각(어닐링)하면, 해머링에 의해 진동이 발생하거나, 소자코일에서 급속히 진동하는 자기장을 적용하면 도메인 벽이 핀 상태에서 해방되는 경향이 있으며, 도메인 경계는 외부 자기장이 적은 낮은 에너지 구성으로 되돌아가는 경향이 있습니다.재료의 자성을 제거합니다.

상업용 자석은 알니코나 페라이트 같은 매우 큰 자기 이방성을 가진 "하드" 강자성 또는 강자성 재료로 만들어지며, 이러한 자석은 결정의 한 축인 "쉬운 축"을 따라 매우 강한 자성을 가진다.제조 과정에서 재료는 강력한 자기장에서 다양한 야금 공정을 거칩니다. 이 자기장은 결정 입자를 정렬하여 "쉬운" 자화 축이 모두 같은 방향을 가리키도록 합니다.따라서 자화와 그에 따른 자기장은 재료의 결정 구조에 "내장"되어 있어 소자하기가 매우 어렵습니다.

퀴리 온도

주요 기사:퀴리 온도

온도가 상승함에 따라 열운동 또는 엔트로피는 쌍극자가 정렬하는 강자성 경향과 경쟁합니다.퀴리 온도라고 불리는 특정 지점을 넘어 온도가 상승하면 2차 위상 전이가 발생하고 시스템은 더 이상 자발적 자화를 유지할 수 없기 때문에 외부 자기장에 대한 상사성 반응에도 불구하고 자석 또는 자석에 대한 흡인 능력은 사라집니다.이 온도 아래에서는 자발적인 대칭이 깨지고 자기 모멘트가 이웃과 정렬됩니다.퀴리 온도 자체는 이론적으로 자화율이 무한하며 순 자화는 없지만 영역과 같은 스핀 상관 관계가 모든 길이 척도로 변동하는 임계 지점입니다.

특히 단순화된 이징 스핀 모델을 통한 강자성 위상 전이에 대한 연구는 통계 물리학 발전에 중요한 영향을 미쳤다.거기서, 평균장 이론 접근법이 임계점에서의 정확한 동작을 예측하지 못하고(액체 가스 전환과 같은 다른 많은 시스템을 포함하는 보편성 클래스에 속하는 것으로 밝혀짐) 재규격화 그룹 [citation needed]이론으로 대체되어야 한다는 것이 처음으로 명확히 밝혀졌다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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