Mikä tekee aineesta magneettisen atomitasolla? Miten magneettisuus näkyy atomitasolla?
Atomien magneettisuus johtuu kahdesta eri syystä. Yksinkertaistaen voidaan ajatella, että elektronien rataliike ytimien ympäri muodostaa virtasilmukoita eli pieniä magneettisia (dipoli)momentteja. Nämä momentit aiheuttavat magneettikentän ja vuorovaikuttavat ulkoisten magneettikenttien kanssa. Toisaalta elektroneilla on sisäinen, spiniin liittyvä magneettinen momentti. Myös monilla atomiytimillä on magneettinen momentti, joka on kuitenkin huomattavasti heikompi kuin elektronin magneettinen momentti.
Aineen magneettiset ominaisuudet määräytyvät siitä, millä tavalla yksittäisten atomien sisäiset magneettiset momentit summautuvat yhteen. Kun atomin elektronien rataliikkeeseen ja spiniin liittyvät momentit kumoutuvat niin, että jäljelle ei jää nettomomenttia, aine on diamagneettinen. Kun diamagneettinen aine asetetaan ulkoiseen magneettikenttään, sen elektronien aaltofunktio muuttuu siten, että aineeseen indusoituu sähkövirtoja, jotka pyrkivät hieman vastustamaan ulkoista kenttää.
Paramagneettisissa aineissa atomeilla on magneettinen momentti, jolle on energeettisesti edullista suuntautua siten, että atomaariset momentit vahvistavat ulkoista kenttää. Jos paramagneettisessa aineessa olevat magneettiset momentit vuorovaikuttavat riittävän voimakkaasti toistensa kanssa, ne pyrkivät suuntautumaan tietyllä tavalla toisiinsa nähden ja syntyy erilaisia järjestysmagnetismin lajeja, kuten ferromagnetismi.
Ferromagneettisissa aineissa lähellä toisiaan olevat atomaariset magneetit suuntautuvat samansuuntaisesti. Ferromagneettisessa aineessa olevat, samansuuntaisista momenteista koostuvat alueet eli domeenit vahvistavat ulkoista kenttää suuresti.
Juha Vaara, professori
Fysiikan laitos, Oulun yliopisto
