Ферромагнетизм представляет собой тип магнитного упорядочения, при котором магнитные моменты атомов или ионов в кристаллической решётке ориентированы параллельно друг другу. Такое согласованное направление магнитных моментов возникает в результате обменного взаимодействия, природа которого объясняется квантово-механическим перекрытием электронных облаков и принципом Паули. В ферромагнитных материалах наблюдается самопроизвольное намагничивание даже при отсутствии внешнего магнитного поля, что отличает их от парамагнетиков.
Ключевое свойство ферромагнетиков заключается в существовании так называемых доменов — областей внутри кристалла, в которых магнитные моменты направлены одинаково. В отсутствие внешнего поля домены ориентированы случайным образом относительно друг друга, что приводит к малой результирующей намагниченности всего образца. При наложении магнитного поля домены переориентируются, увеличивая макроскопическую намагниченность.
Ферромагнитное упорядочение связано с положительным значением обменного интеграла. При таком условии энергетически выгодно параллельное расположение спинов соседних атомов. Квантовомеханическая природа взаимодействия определяет, что ферромагнетизм может возникать только в системах с частично заполненными электронными оболочками, где спиновые состояния не полностью компенсированы.
Для ферромагнитных металлов, таких как железо, кобальт и никель, упорядочение обусловлено взаимодействием d-электронов. В редкоземельных элементах ферромагнетизм возникает за счёт упорядочения 4f-электронов.
С повышением температуры тепловые колебания атомов разрушают упорядоченность спинов. Существует критическая температура — точка Кюри, выше которой ферромагнитное состояние исчезает, и вещество ведёт себя как парамагнетик. Для железа эта температура составляет около 770 °C, для кобальта — 1120 °C, для никеля — 358 °C. При охлаждении ниже точки Кюри спиновое упорядочение восстанавливается.
Ферромагнитные материалы характеризуются магнитной анизотропией — зависимостью магнитных свойств от направления в кристаллической решётке. Эта особенность приводит к существованию «лёгких» и «трудных» направлений намагничивания. Магнитная анизотропия играет ключевую роль в определении коэрцитивной силы — минимального обратного поля, необходимого для размагничивания.
При изменении внешнего магнитного поля в ферромагнитных материалах наблюдается явление гистерезиса. Кривая намагничивания не совпадает с кривой размагничивания, образуя петлю гистерезиса. Её форма отражает энергетические затраты на переориентацию доменов и определяет такие важные характеристики, как остаточная намагниченность и коэрцитивная сила.
Антиферромагнетизм характеризуется противоположным упорядочением магнитных моментов. В этом случае обменное взаимодействие имеет отрицательный знак, и энергетически выгодным становится антипараллельное расположение спинов соседних атомов. В результате макроскопическая намагниченность в отсутствие внешнего поля равна нулю.
Антиферромагнитное состояние возникает преимущественно в кристаллах с ионной природой связи, например в MnO, FeO, CoO, NiO. Здесь ионы с ненулевым спином располагаются в подрешётках, где их магнитные моменты компенсируются.
Для антиферромагнетиков критическая температура называется температурой Нееля. Выше этой температуры спиновое упорядочение нарушается, и вещество приобретает парамагнитные свойства. Для MnO температура Нееля составляет около 118 K, для FeO — около 198 K.
Ферромагнитные материалы широко применяются в электротехнике, микроэлектронике, магнитооптике и в качестве носителей информации. Антиферромагнетики находят применение в спинтронике, датчиках магнитного поля и как компоненты многослойных магнитных структур, где их свойства используются для стабилизации магнитного состояния ферромагнитных слоёв.
Таким образом, ферромагнетизм и антиферромагнетизм представляют собой два фундаментальных типа магнитного упорядочения в твёрдых телах, определяющих физико-химические свойства широкого круга материалов и имеющих ключевое значение для развития современной науки и техники.