強磁性

強磁性：物質の自発的な磁化

強磁性とは、物質を構成する多数の電子スピンが同じ向きに整列することで、全体として大きな磁気モーメントを持つ現象です。このため、外部磁場がなくても物質は磁性を帯びます。室温で強磁性を示す物質は鉄、コバルト、ニッケル、そして18℃以下のガドリニウムなど、限られています。近年、ルテニウムも常温で強磁性を示すことが確認されましたが、これは通常の状態とは異なる結晶構造を持つ場合です。

強磁性という用語は、フェリ磁性を含む場合もありますが、日本語では狭義の強磁性をフェロ磁性と呼び、区別されることもあります。フェロ (ferro) は鉄を意味するイタリア語に由来します。

物理的起源：交換相互作用

強磁性の起源は、磁性イオン間の交換相互作用にあります。隣り合うイオンのスピン同士が揃うように作用する正の交換積分が、スピンの整列を引き起こします。この相互作用の強さは物質によって異なり、それが強磁性体の磁気特性を決定づけます。

強磁性体の性質：キュリー温度とキュリー・ワイスの法則

強磁性体は、特定の温度（キュリー温度）以上になると、スピンの整列が乱れ、常磁性へと相転移します。キュリー温度以上では、磁化率χはキュリー・ワイスの法則に従います。

$\chi = \frac{C}{T-\theta_p}$

ここで、Tは絶対温度、$\theta_p$は常磁性キュリー温度、Cはキュリー定数です。この法則は、強磁性体の磁化率の温度依存性を記述する上で重要な役割を果たします。

強磁性体の物理：電子スピンと磁性

物質の磁性は、主に電子のスピンに由来します。原子の電子軌道には、スピンが反対向きの電子が対になって存在し、これらは互いに磁気モーメントを打ち消し合います。しかし、不対電子が存在する場合、そのスピンが磁気モーメントを生み出し、磁性を示します。

鉄などの遷移金属では、3d軌道や4f軌道に不対電子が存在し、これが強磁性の主要因となります。例えば、鉄イオン(Fe3+)では、3d軌道に5個の不対電子が存在し、強い磁性を示します。磁気イオンの種類や数、並び方によって、磁気モーメントの大きさは異なります。

磁性イオンは、イオン結晶では局在電子として、金属では伝導電子として、磁性に寄与します。

交換相互作用：原子のスピンと磁気秩序

強磁性、反強磁性、常磁性といった磁気秩序は、原子間の交換相互作用によって説明されます。強磁性体では、隣り合う原子のスピンが互いに揃うように相互作用し、全体として磁化が生まれます。この相互作用は、量子力学的な効果に基づいています。

その他の磁性：フェリ磁性体、ヘリカル磁性体、スピングラス、メタ磁性体

フェリ磁性体では、強磁性部分と反強磁性部分が混在し、部分的に磁化が残ります。フェライトや鉄ガーネットが代表的な例です。ヘリカル磁性体では、磁気モーメントの向きが螺旋状に変化します。スピングラスは、磁性不純物が非磁性物質中に不規則に分散した系で、磁気モーメントの向きがランダムです。メタ磁性体は、反強磁性体の一種で、磁場によって磁化が急激に変化する特徴があります。

新たな強磁性体の発見と用途

近年、カーボンナノフォームやZnZr2合金など、新たな強磁性体が発見されています。強磁性体は、永久磁石、高透磁率材料、磁気記録媒体など、幅広い用途に利用されています。

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