المغناطيسية الحديدية

معظم المواد المغناطيسية الحديدية هي معادن، لأن الإلكترونات الموصلة غالباً ما تكون مسؤولة عن التوسط في التفاعلات المغناطيسية الحديدية. ولذلك، يُعد تطوير العوازل المغناطيسية الحديدية، وخاصة المواد متعددة الخصائص ، التي تجمع بين الخصائص المغناطيسية الحديدية والكهربائية الحديدية، تحدياً . ^{[ 8 ]}

تُعدّ العديد من مركبات الأكتينيدات مواد مغناطيسية حديدية في درجة حرارة الغرفة، أو تُظهر خاصية المغناطيسية الحديدية عند التبريد. يُعتبر PuP مادة مغناطيسية مسايرة ذات تناظر مكعب في درجة حرارة الغرفة ، ولكنه يخضع لانتقال بنيوي إلى حالة رباعية ذات ترتيب مغناطيسي حديدي عند تبريده إلى ما دون درجة حرارته الحرجة (TC ₎  البالغة 125 كلفن . في حالته المغناطيسية الحديدية، يكون محور التمغنط السهل لـ PuP في الاتجاه ⟨100⟩. ^{[ 9 ]}

في NpFe₂ _، يكون المحور السهل ⟨111⟩. ^{[ 10 ]} فوق درجة حرارة كوري (TC ₎ ≈ 500  كلفن ، يكون NpFe₂ _أيضًا بارامغناطيسيًا ومكعبًا. يؤدي التبريد إلى ما دون درجة حرارة كوري إلى تشوه معيني الأوجه، حيث تتغير زاوية المعين من 60° (الطور المكعب) إلى 60.53°. يمكن وصف هذا التشوه أيضًا باعتبار الطول c على طول المحور الثلاثي الفريد (بعد بدء التشوه) والمسافة a في المستوى العمودي على c . في الطور المكعب، يختزل هذا إلى c / a = 1.00 . تحت درجة حرارة كوري، تكتسب الشبكة تشوهًا.

${\displaystyle {\frac {c}{a}}-1=-(120\pm 5)\times 10^{-4},}$

وهو أكبر إجهاد في أي مركب من مركبات الأكتينيدات . ^{[ 11 ]} _{يخضع مركب} NpNi₂ لتشوه شبكي مماثل تحت درجة حرارة _TC = 32 كلفن ، مع إجهاد قدره (43  ±  5)  ×  10⁻⁴ . ^{[ 11 ]} _{يُعد مركب} NpCo₂ مغناطيسيًا حديديًا تحت درجة حرارة 15 كلفن ^. 

في عام ٢٠٠٩، أثبت فريق من علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن غاز الليثيوم المبرد إلى أقل من كلفن واحد يمكن أن يُظهر خاصية المغناطيسية الحديدية. ^{[ ١٢ ]} قام الفريق بتبريد الليثيوم-٦ الفرميوني إلى أقل من ١٥٠ نانو كلفن (١٥٠ جزءًا من مليار من الكلفن) باستخدام التبريد بالليزر بالأشعة تحت الحمراء . يُعد هذا الإثبات الأول من نوعه الذي يُظهر خاصية المغناطيسية الحديدية في غاز.   

في حالات نادرة، يمكن ملاحظة المغناطيسية الحديدية في المركبات التي تتكون فقط من عناصر الفئة s والفئة p ، مثل أكسيد الروبيديوم الثلاثي . ^{[ 13 ]}

في عام 2018، أثبت فريق من علماء الفيزياء بجامعة مينيسوتا أن الروثينيوم رباعي الأضلاع ذو البنية المركزية للجسم يُظهر خاصية المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة. ^{[ 14 ]}

أظهرت أبحاث حديثة أدلة على إمكانية تحفيز المغناطيسية الحديدية في بعض المواد بواسطة تيار كهربائي أو جهد كهربائي. وقد تم تحويل مادتي LaMnO₃ وSrCoO₃ المضادتين للمغناطيسية الحديدية إلى مادتين مغناطيسيتين حديديتين باستخدام تيار كهربائي. وفي يوليو 2020، أفاد علماء بتحفيز المغناطيسية الحديدية في مادة البيريت الحديدي (ذهب الأحمق)، وهي مادة مغناطيسية معاكسة وفيرة، _عن طريق تطبيق جهد كهربائي. ^{[ 15 ] [ 16 ]} وفي هذه التجارب، اقتصرت المغناطيسية الحديدية على طبقة سطحية رقيقة.

من الخصائص الأساسية للإلكترون ( إلى جانب كونه يحمل شحنة) امتلاكه عزمًا مغناطيسيًا ثنائي القطب ، أي أنه يتصرف كمغناطيس صغير، مُنتجًا مجالًا مغناطيسيًا . ينشأ هذا العزم ثنائي القطب من خاصية أساسية أخرى للإلكترون: دورانه الكمومي. نظرًا لطبيعته الكمومية، لا يمكن أن يكون دوران الإلكترون إلا في حالتين، حيث يشير المجال المغناطيسي إما إلى الأعلى أو إلى الأسفل (لأي اختيار بين الأعلى والأسفل). يُعد دوران الإلكترون في الذرات المصدر الرئيسي للمغناطيسية الحديدية، على الرغم من وجود مساهمة أيضًا من الزخم الزاوي المداري للإلكترون حول النواة . عندما تصطف هذه العزوم المغناطيسية ثنائية القطب في قطعة من المادة (تشير في نفس الاتجاه)، تتجمع مجالاتها المغناطيسية الصغيرة لتكوين مجال مغناطيسي عياني أكبر بكثير.

مع ذلك، فإن المواد المصنوعة من ذرات ذات أغلفة إلكترونية ممتلئة يكون عزمها ثنائي القطب الكلي صفرًا: لأن الإلكترونات جميعها موجودة في أزواج ذات دوران متعاكس، فإن العزم المغناطيسي لكل إلكترون يُلغى بالعزم المعاكس للإلكترون الثاني في الزوج. فقط الذرات ذات الأغلفة الممتلئة جزئيًا (أي ذات الدوران غير المزدوج ) يمكن أن يكون لها عزم مغناطيسي صافٍ، لذا فإن المغناطيسية الحديدية تحدث فقط في المواد ذات الأغلفة الممتلئة جزئيًا. وبسبب قواعد هوند ، تميل الإلكترونات القليلة الأولى في غلاف غير مشغول إلى أن يكون لها نفس الدوران، مما يزيد من العزم ثنائي القطب الكلي.

تميل هذه الثنائيات القطبية غير المزدوجة (والتي تُسمى غالبًا ببساطة "اللف المغزلي"، على الرغم من أنها تشمل عادةً الزخم الزاوي المداري) إلى الاصطفاف بالتوازي مع مجال مغناطيسي خارجي ، مما يؤدي إلى تأثير عياني يُسمى المغناطيسية المسايرة . أما في المغناطيسية الحديدية، فإن التفاعل المغناطيسي بين الثنائيات القطبية المغناطيسية للذرات المتجاورة يكون قويًا بما يكفي لاصطفافها مع بعضها البعض بغض النظر عن أي مجال مطبق، مما ينتج عنه مغنطة تلقائية لما يُسمى بالمجالات المغناطيسية. وينتج عن ذلك النفاذية المغناطيسية الكبيرة الملحوظة للمواد المغناطيسية الحديدية، وقدرة المواد الصلبة مغناطيسيًا على تكوين مغناطيسات دائمة . 

عندما تحتوي ذرتان متجاورتان على إلكترونات غير مزدوجة، فإن اتجاه دوران الإلكترونات، سواء كان متوازياً أو متعاكساً، يؤثر على إمكانية تشارك الإلكترونات في نفس المدار نتيجةً لتأثير ميكانيكي كمي يُسمى تفاعل التبادل . وهذا بدوره يؤثر على موقع الإلكترون والتفاعل الكولومبي (الكهروستاتيكي) ، وبالتالي على فرق الطاقة بين هاتين الحالتين.

يرتبط تفاعل التبادل بمبدأ استبعاد باولي، الذي ينص على أنه لا يمكن لإلكترونين لهما نفس اللف المغزلي أن يكونا في نفس الحالة المكانية (المدار). هذا نتيجة لنظرية الإحصاء المغزلي ولأن الإلكترونات هي فرميونات . لذلك، في ظل ظروف معينة، عندما تتداخل مدارات إلكترونات التكافؤ الخارجية غير المزدوجة من الذرات المتجاورة، تكون توزيعات شحنتها الكهربائية في الفضاء متباعدة أكثر عندما يكون لف الإلكترونات متوازيًا مقارنةً بحالة اللف المغزلي المتعاكس. هذا يقلل من الطاقة الكهروستاتيكية للإلكترونات عندما يكون لفها متوازيًا مقارنةً بطاقتها عندما يكون اللف المغزلي متعاكسًا، وبالتالي تكون حالة اللف المغزلي المتوازي أكثر استقرارًا. يُطلق على هذا الفرق في الطاقة اسم طاقة التبادل . بعبارة أخرى، يمكن للإلكترونات الخارجية للذرات المتجاورة، والتي تتنافر فيما بينها، أن تتباعد أكثر عن طريق محاذاة لفها المغزلي في نفس الاتجاه.

قد يكون فرق الطاقة هذا أكبر بعدة مراتب من فروق الطاقة المرتبطة بتفاعل ثنائي القطب المغناطيسي نتيجةً لتوجيه ثنائي القطب، ^{[ 18 ]} الذي يميل إلى محاذاة ثنائيات الأقطاب بشكل متعاكس. في بعض أكاسيد أشباه الموصلات المشوبة، ثبت أن تفاعلات RKKY تُحدث تفاعلات مغناطيسية دورية طويلة المدى، وهي ظاهرة ذات أهمية في دراسة مواد الإلكترونيات الدورانية . ^{[ 19 ]}

تُسمى المواد التي يكون فيها تفاعل التبادل أقوى بكثير من تفاعل ثنائي القطب المنافس بالمواد المغناطيسية . على سبيل المثال، في الحديد (Fe)، تكون قوة التبادل أقوى بحوالي 1000 مرة من تفاعل ثنائي القطب. لذلك، تحت درجة حرارة كوري، تصطف جميع ثنائيات الأقطاب تقريبًا في المادة المغناطيسية الحديدية. بالإضافة إلى المغناطيسية الحديدية، يُعد تفاعل التبادل مسؤولًا أيضًا عن أنواع أخرى من الترتيب التلقائي للعزوم المغناطيسية الذرية التي تحدث في المواد الصلبة المغناطيسية: المغناطيسية المضادة للحديدية والمغناطيسية الحديدية المضادة. توجد آليات مختلفة لتفاعل التبادل تُنشئ المغناطيسية في المواد المغناطيسية الحديدية، ^{والمغناطيسية الحديدية المضادة ، والمغناطيسية} المضادة للحديدية المختلفة - وتشمل هذه الآليات التبادل المباشر ، وتبادل RKKY ، والتبادل المزدوج ، والتبادل الفائق .

على الرغم من أن تفاعل التبادل يُبقي اللف المغزلي مُصطفًا، إلا أنه لا يُوجهه في اتجاه مُحدد. فبدون التباين المغناطيسي ، يتغير اتجاه اللف المغزلي في المغناطيس عشوائيًا استجابةً للتقلبات الحرارية ، ويُصبح المغناطيس فائق المغناطيسية . توجد أنواع عديدة من التباين المغناطيسي، وأكثرها شيوعًا هو التباين المغناطيسي البلوري . وهو عبارة عن اعتماد الطاقة على اتجاه التمغنط بالنسبة للشبكة البلورية . مصدر شائع آخر للتباين هو الانفعال المغناطيسي العكسي ، والذي ينتج عن الإجهادات الداخلية . كما يمكن أن تمتلك المغناطيسات أحادية المجال تباينًا شكليًا بسبب التأثيرات المغناطيسية الساكنة لشكل الجسيم. مع ارتفاع درجة حرارة المغناطيس، يميل التباين إلى التناقص، وغالبًا ما توجد درجة حرارة مانعة يحدث عندها انتقال إلى حالة فائقة المغناطيسية. ^{[ 21 ]}

قد يوحي التراصف التلقائي للثنائيات المغناطيسية في المواد المغناطيسية الحديدية بأن كل قطعة من هذه المواد يجب أن تمتلك مجالًا مغناطيسيًا قويًا، نظرًا لتراصف جميع اللفات المغناطيسية؛ ومع ذلك، غالبًا ما يُوجد الحديد وغيره من المواد المغناطيسية الحديدية في حالة "غير ممغنطة". ويعود ذلك إلى أن قطعة المادة المغناطيسية الحديدية تُقسّم إلى مناطق صغيرة تُسمى النطاقات المغناطيسية ^{[ 22 ]} (المعروفة أيضًا بنطاقات فايس ). داخل كل نطاق، تتراصف اللفات المغناطيسية، ولكن إذا كانت المادة في أدنى مستوى طاقة لها (أي "غير ممغنطة")، فإن لفات النطاقات المنفصلة تتجه في اتجاهات مختلفة، وتلغي مجالاتها المغناطيسية بعضها بعضًا، وبالتالي لا تمتلك المادة مجالًا مغناطيسيًا صافيًا واسع النطاق.

تنقسم المواد المغناطيسية الحديدية تلقائيًا إلى نطاقات مغناطيسية لأن تفاعل التبادل قوة قصيرة المدى، لذا على مسافات طويلة بين العديد من الذرات، تتغلب نزعة ثنائيات الأقطاب المغناطيسية لتقليل طاقتها بالتوجه في اتجاهات متعاكسة. إذا اصطفت جميع ثنائيات الأقطاب في قطعة من مادة مغناطيسية حديدية بشكل متوازٍ، فإنها تُنشئ مجالًا مغناطيسيًا كبيرًا يمتد إلى الفراغ المحيط بها. يحتوي هذا المجال على قدر كبير من الطاقة المغناطيسية الساكنة . يمكن للمادة تقليل هذه الطاقة بالانقسام إلى نطاقات عديدة تشير إلى اتجاهات مختلفة، وبالتالي ينحصر المجال المغناطيسي في مجالات محلية صغيرة داخل المادة، مما يقلل من حجم المجال. تفصل بين النطاقات جدران نطاقية رقيقة بسماكة عدد من الجزيئات، حيث يدور اتجاه مغنطة ثنائيات الأقطاب بسلاسة من اتجاه نطاق إلى آخر.

لذا، فإن قطعة الحديد في أدنى حالة طاقة لها ("غير ممغنطة") عادةً ما يكون لها مجال مغناطيسي صافٍ ضعيف أو معدوم. مع ذلك، فإن المجالات المغناطيسية في المادة ليست ثابتة في مكانها؛ إنها ببساطة مناطق اصطفت فيها دورانات الإلكترونات تلقائيًا بفعل مجالاتها المغناطيسية، وبالتالي يمكن تغييرها بواسطة مجال مغناطيسي خارجي. إذا طُبِّق مجال مغناطيسي خارجي قوي بما يكفي على المادة، فإن جدران المجالات ستتحرك عبر عملية تدور فيها دورانات الإلكترونات في الذرات القريبة من الجدار في أحد المجالات تحت تأثير المجال الخارجي لتواجه نفس اتجاه الإلكترونات في المجال الآخر، مما يُعيد توجيه المجالات بحيث يصطف عدد أكبر من ثنائيات الأقطاب مع المجال الخارجي. ستبقى المجالات مصطفة عند إزالة المجال الخارجي، وتتجمع لتكوين مجال مغناطيسي خاص بها يمتد إلى الفراغ المحيط بالمادة، مما يُنشئ مغناطيسًا "دائمًا". لا تعود النطاقات المغناطيسية إلى وضعها الأصلي ذي الطاقة الدنيا عند إزالة المجال المغناطيسي، لأن جدران النطاقات تميل إلى أن تُثبَّت أو تُعلَّق على العيوب في الشبكة البلورية، مما يحافظ على اتجاهها المتوازي. ويتضح ذلك من خلال تأثير باركهاوزن : فمع تغير المجال المغناطيسي، تتغير مغنطة المادة بآلاف القفزات الصغيرة المتقطعة، حيث "تنفصل" جدران النطاقات فجأةً عن العيوب.

تُوصَف هذه المغنطة كدالة للمجال الخارجي بمنحنى التخلف المغناطيسي . ورغم أن حالة المجالات المتراصة هذه، الموجودة في قطعة من مادة مغناطيسية حديدية ممغنطة، لا تُعدّ تكوينًا ذا طاقة دنيا، إلا أنها شبه مستقرة ، ويمكن أن تستمر لفترات طويلة، كما يتضح من عينات الماغنيتيت من قاع البحر التي حافظت على مغنطتها لملايين السنين.

إن تسخين ثم تبريد ( تلدين ) مادة ممغنطة، أو تعريضها للاهتزاز عن طريق الطرق عليها، أو تطبيق مجال مغناطيسي متذبذب بسرعة من ملف إزالة المغناطيسية، يميل إلى تحرير جدران المجال من حالتها المثبتة، وتميل حدود المجال إلى العودة إلى تكوين طاقة أقل مع مجال مغناطيسي خارجي أقل، وبالتالي إزالة مغناطيسية المادة.

تُصنع المغناطيسات التجارية من مواد مغناطيسية حديدية أو مغناطيسية حديدية صلبة ذات تباين مغناطيسي كبير جدًا ، مثل الألنيكو والفريتات ، والتي تتميز بميل قوي جدًا لتركيز المغنطة على طول محور واحد من البلورة، وهو "المحور السهل". أثناء التصنيع، تُخضع هذه المواد لعمليات تعدينية مختلفة في مجال مغناطيسي قوي، مما يُرتب حبيبات البلورة بحيث تتجه محاورها المغناطيسية السهلة جميعها في نفس الاتجاه. وبالتالي، فإن المغنطة، والمجال المغناطيسي الناتج عنها، مُدمجة في البنية البلورية للمادة، مما يجعل إزالة مغنطتها أمرًا بالغ الصعوبة.

مع ارتفاع درجة حرارة المادة، تتنافس الحركة الحرارية، أو الإنتروبيا ، مع ميل ثنائيات الأقطاب المغناطيسية الحديدية إلى الاصطفاف. وعندما تتجاوز درجة الحرارة حدًا معينًا يُسمى درجة حرارة كوري ، يحدث انتقال طور من الدرجة الثانية، ويفقد النظام قدرته على الحفاظ على التمغنط التلقائي، فتختفي بالتالي قدرته على التمغنط أو الانجذاب إلى المغناطيس، مع أنه لا يزال يستجيب مغناطيسيًا بارامغناطيسيًا للمجال الخارجي. أما دون هذه الدرجة، فيحدث كسر تلقائي للتناظر ، وتصطف العزوم المغناطيسية مع جيرانها. وتُعد درجة حرارة كوري نفسها نقطة حرجة ، حيث تكون القابلية المغناطيسية نظريًا لانهائية، ومع أنه لا يوجد تمغنط صافٍ، فإن ارتباطات اللف المغزلي الشبيهة بالمجالات تتذبذب على جميع المقاييس الطولية.