Magnetització espontània

La magnetització espontània és l'aparició d'un estat d'espín ordenat (magnetització) a un camp magnètic aplicat zero en un material ferromagnètic o ferrimagnètic per sota d'un punt crític anomenat temperatura de Curie o T_C. ^{[1] [2]}

Escalfats a temperatures superiors a T_C, els materials ferromagnètics es tornen paramagnètics i el seu comportament magnètic està dominat per ones d'espín o magnons, que són excitacions col·lectives de bosons amb energies en el rang meV. La magnetització que es produeix per sota de T_C és un exemple de la ruptura "espontània" d'una simetria global, un fenomen descrit pel teorema de Goldstone. El terme "ruptura de simetria" es refereix a l'elecció d'una direcció de magnetització per part dels espins, que tenen una simetria esfèrica per sobre de T_C, però un eix preferit (la direcció de magnetització) per sota de T_C. ^[3]

Per a una aproximació de primer ordre, la dependència de la temperatura de la magnetització espontània a baixes temperatures ve donada per la llei de Bloch T ^3/2 :

${\displaystyle M(T)=M(0)\left(1-(T/T_{c}\right)^{3/2}),}$

on M(0) és la magnetització espontània a zero absolut. La disminució de la magnetització espontània a temperatures més altes és causada per l'excitació creixent de les ones d'espín. En una descripció de partícules, les ones de spin corresponen a magnons, que són els bosons de Goldstone sense massa corresponents a la simetria trencada. Això és exactament cert per a un imant isòtrop.

L'anisotropia magnètica, és a dir, l'existència d'una direcció fàcil al llarg de la qual els moments s'alineen espontàniament en el cristall, correspon tanmateix a magnons "massius". Aquesta és una manera de dir que costen una quantitat mínima d'energia per excitar, per tant, és molt poc probable que s'entusiasmen com ${\displaystyle T\rightarrow 0}$. Per tant, la magnetització d'un imant anisòtrop és més difícil de destruir a baixa temperatura i la dependència de la temperatura de la magnetització es desvia en conseqüència de la llei Bloch T ^3/2. Tots els imants reals són anisòtrops fins a cert punt. ^[4]

A prop de la temperatura de Curie,

${\displaystyle M(T)\propto \left(T_{c}-T\right)^{\beta },}$

on β és un exponent crític que depèn de la classe d'universalitat de la interacció magnètica. Experimentalment, l'exponent és 0,34 per al ferro i 0,51 per al níquel.

Una interpolació empírica dels dos règims ve donada per

${\displaystyle {\frac {M(T)}{M(0)}}=\left(1-(T/T_{c}\right)^{\alpha })^{\beta },}$

és fàcil comprovar dos límits d'aquesta interpolació que segueixen lleis semblants a la llei de Bloch, per ${\displaystyle T\rightarrow 0}$, i el comportament crític, per ${\displaystyle T\rightarrow T_{C}}$, respectivament.