Hvad er magnetisme
De fleste mennesker har oplevet hvordan små stangmagneter påvirker hinanden. I det følgende vil det på simpel vis blive demonstreret hvordan de enkelte atomer i forskellige materialer kan opfattes som små stangmagneter, og at de magnetiske egenskaber af fast stoffer kan forstås ud fra hvordan disse små stangmagneter påvirker hinanden.
Den fysiske baggrund
Det klassiske udgangspunkt for forståelsen af elektromagnetisme er de såkaldet Maxwell ligninger, opstillet af den engelske fysiker J.C. Maxwell i 1800 tallet. Disse ligninger siger blandt andet, kort fortalt, at en elektrisk strøm kan skabe et magnetfelt og at et varierende magnetfelt kan skabe en elektrisk strøm. Det sidste benyttes blandt andet i en dynamo til at lave strøm. Det interesante for denne diskussion er dog den første effekt: Hvis man har en elektrisk strøm dannes der et magnetfelt.
Et atom består af en positivt ladet kerne rundt om hvilken en række negativt ladede elektroner farer rundt. Da disse bevægelser udgør en elektrisk strøm inducerer elektronernes bevægelser et magnetfelt, der svarer til det en stangmagnet producerer, blot betydeligt svagere. Da en stangmagnet har to poler (nord og syd) kaldes den en dipol. Tilsvarende kan en enkelt elektrons bevægelse betragtes som en lille dipol. Normalt vil man sige at bevægelsen inducerer et dipol-moment.
Udover dette besidder mange elementarpartikler en egenskab der kaldes spin, hvilket man lidt løst kan betragte som at de snurrer om sig selv – dette forårsager også et dipol-moment. For elektroner gælder det, at deres spin kun kan antage to værdier: op og ned.
De forskellige grundstoffers atomer rummer et forskelligt antal elektroner. Disse findes ofte i par af én elektron med spin op og én elektron med spin ned, og de dipol-momenter som dermed induceres vil ophæve hinanden. Således findes der to forskellige typer grundstoffer: Dem, hvor alle de små momenter ophæver hinanden, og dem, hvor de ikke ophæver hinanden. Den første type er således, set udefra, ikke-magnetisk, mens den anden type er magnetisk. Således kan man altså, som nævnt i indledningen, opfatte nogle atomer som små stangmagneter. I det følgende vil det blive diskuteret hvordan disse påvirker hinanden i faste stoffer.
Faste stoffers magnetisme
Faste stoffer er faste fordi de enkelte atomer er organiseret i en vel-defineret struktur, f.eks. i et krystalgitter. De enkelte atomers momenter i en sådan struktur påvirker hinanden på flere forskellige måder, blandt andet påvirker de enkelte atomers spin hinanden via en vekselvirkning kaldet exchange-vekselvirkningen. Dette er et kvantemekanisk fænomen hvis effekt er at to spin altid vil forsøge at være enten parallelle eller anti-parallelle med hinanden. Dette betyder således i teorien at alle spin i et givent materiale enten vil pege samme vej – dvs. set udefra vil stoffet være magnetiske (et sådant materiale kaldes en ferromagnet) , eller at to halvdele vil pege i hver sin retning – dvs set udefra vil stoffet ikke være magnetisk (et sådant materiale kaldes en antiferromagnet). Strukturen af disse to typer materialer er vist i figuren nedenfor.
Ferromagnetisk ordning
Antiferromagnetisk ordning
Temperatur er et udtrykt for hvor meget de enkelte atomer i et stof bevæger sig. I en gas vil de enkelte atomer fare rundt mellem hinanden – i et fast stof er dette naturligvis ikke muligt (eftersom atomerne er låst i en fast struktur ) og den termiske bevægelser er derfor udtrykt som vibrationer af de enkelte atomer i gitteret. Hvilken betydning har dette for den magnetiske struktur? Som beskrevet før vil de enkelte atomers spin have en tendens til at orientere sig parallelt eller antiparallelt i forhold til hinanden, men de termiske bevægelse vil modarbejde denne tendens. Ved en tilpas høj temperatur, kaldet den kritiske temperatur, vil bevægelsene være så store, at exchange vekselvirkningen ikke længere kan holde spinene på plads, og de vil istedet bevæge sig fuldstændig vilkårligt i forhold til hinanden. Resultatet heraf er naturligvis, at det pågældende stof ikke længere vil være magnetisk, da de enkelte spin ophæver hinanden.
De termiske bevægelser gør også at de meget idealiserede strukturer, vist og omtalt ovenfor, kun er realiserede ved det absolutte nulpunkt. Ved endelige temperaturer ( dvs temperaturer forskellige fra det absolutte nulpunkt ) vil retningerne af de enkelte spin i hvert atom kunne vibrere en smule, hvilket forårsager at det samlede magnetiske moment bliver mindre. Således gælder det generelt at faste stoffers magnetiske egenskaber aftager med stigende temperatur, indtil de helt forsvinder ved den kritiske temperatur.
Hvis man placerer et frit atom i et magnetfelt, vil dets magnetiske moment (hvis atomet har et) indrette sig efter dette felt. Dette samme sker i et fast stof, omend de enkelte atomers bevægelse kan være hæmmet af forskellige faktorer. Et stofs magnetisering (M) (defineret som det magnetiske moment pr. volumenenhed) divideret med det påtrykte magnetfelt (H) kaldes for den magnetiske sucseptibilitet, og er en størrelse der siger noget om stoffets evne til indrette sine magnetiske moment efter et ydre magnetfelt.
I større krystaller vil der ofte være en bestemt akse langs hvilken det samlede magnetiske moment fortrinsvis vil orientere sig – dette kaldes den nemme akse, og sucseptibiliteten i denne retning vil altid være højere end i andre retninger. Eksistensen af sådanne nemme akser skyldes den enkelte krystals struktur, og derfor vil forskellige strukturer også have forskelige nemme akser.
Nanopartiklers magnetisme
Når de faste stoffer består af meget små krystaller (få nanometer i størrelse, 1 nanometer = 0.000000001 meter ) begynder der at ske en række interessante, men dog også i visse sammenhænge uhensigtsmæssige ting.
Som nævnt vil der i alle krystaller være akser langs hvilken det magnetiske moment orienterer sig, de såkaldt nemme akser. Men langs en akse vil der eksistere to mulige retninger, rettet modsat hinanden. Hvis det magnetiske moment skal roteres fra den ene af disse retninger til den anden, kræver det energi, så derfor vil momentet under normale omstændigheder være låst fast i en bestemt retning.
Dette udnyttes blandt andet i computeres harddiske – her svarer de to mulige retninger til 0 og 1 i computersprog. For at de gemte data ikke forsvinder er det naturligvis en forudsætning at momentet af hver enkel partikel ikke ændrer sig efter det er placeret i en bestemt retning. For at man kan gøre harddiskenes lagringsevne større og større er man nødt til at gøre de enkelte partikler mindre og mindre – og det giver anledning til visse komplikationer.
Energien der kræves for at rotere hvert enkelt moment, afhænger af partiklens størrelse – jo mindre en partikel, jo mindre energi. Således vil momentet af en meget lille partikel på grund af termiske bevægelser hele tiden ændre retning – dermed bliver det gennemsnitlige magnetiske moment nul og, set udefra, er krystallen derfor ikke længere magnetisk. Denne tilstand kaldes super-paramagnetisk. Det skal dog understreges at de enkelte spin inde i krystallen stadig er magnetisk koblede til hinanden, og at krystallen stadig er magnetisk ordnet – det interessante ligger i at alle spin ændrer retning samtidig.
Set ud fra et data lagrings synspunkt er dette naturligvis yderst uhensigtsmæssigt eftersom dette betyder at ens gemte data vil forsvinde!
Antiferromagnetiske nanopartikler
Selvom antiferromagnetiske materialer i princippet ikke burde have noget magnetisk moment, er virkeligheden ikke helt sådan. Målinger har vist at antiferromagnetiske nanopartiklers magnetisering er væsentligt større end for partikler af ”normal” størrelse, (f.eks. i størrelsesorden nogle millimeter) Forklaringen kan være som følger:
Grundet den magnetiske orden, vil antiferromagnetiske materialer som nævnt normalt ikke have et samlet magnetisk moment grundet balanceringen af spin med hhv. ”op” og ”ned”. Denne balacering er dog ikke altid helt perfekt – en række faktorer såsom strukturen af den enkelt krystal og tilstedeværelsen af atomer af andre grundstoffer kan forskyde antallet af spin. Normalt indeholder materialerne dog så mange atomer at det relative bidrag fra sådanne ukompenserede spin er yderst begrænset.
For nanopartikler af sådanne materialer vil det begrænsede antal atomer dog betyde at de ukompenserede spin kommer til at udgøre et relativt stort bidrag. Konsekvensen heraf er, at sådanne krystaller faktisk kan have et lille magnetisk moment, selvom strukturen fundamentalt set er antiferromagnetisk.
Man har dog også opdaget at de magnetiske egenskaber af disse partikler har en anden temperatur-afhængighed end forventet, hvilket tyder på at det ukompenserede spin ikke kan udgøre hele forklaringen – og det er så her at den termoinducerede magnetisering kommer ind i spillet.
For ændringer til siden skriv venligst en mail: