Ферромагнетизм с подвижными спинами

В ферромагнитных материалах на самой внешней орбитали находится неспаренный электрон, что придает атому общий магнитный момент, равный одному спину электрона. В объемном ферромагнитном кристалле эти орбитали могут перекрываться между соседними атомами, что вызывает спонтанную намагниченность за счет обменного взаимодействия. Это взаимодействие невероятно короткодействующее, всего несколько ангстрем (приблизительно только ближайшие соседние атомы), и поэтому не может полностью отвечать за доменную структуру. Важным аспектом обменного взаимодействия для доменной структуры является эффективный восстанавливающий момент на спинах между соседними атомами. Представьте себе вращения как ступеньки на веревочной лестнице: если вы попытаетесь сместить одну ступеньку, соседние с ней слегка сдвинутся, а если отпустить, крутящий момент восстановит выравнивание. (Аналогичный крутящий момент существует для анизотропии в кристалле).

Следующим важным вкладом доменов является то, как выравнивается общий магнитный порядок в материале. Внутренняя намагниченность$M$должны заканчиваться на поверхности материала, поэтому, если мы возьмем обычный$B = \mu_0 [H+M]$, и возьмем дивергенцию:

$\nabla\cdot B = \mu_0 [\nabla\cdot H + \nabla \cdot M]$

так:$\nabla \cdot H = -\nabla \cdot M$

Все это означает, что всякая намагниченность, заканчивающаяся на поверхности, должна создавать поле рассеяния,$H$. Короче говоря, производство поля рассеяния соответствует затратам энергии.$\frac{1}{2\mu_0}\int H^2 dV$который можно свести к минимуму, уменьшив количество$M$который заканчивается на поверхности. Следствием этого является то, что минимальное энергетическое состояние для магнитного порядка, безусловно, не означает, что все спины в большинстве случаев выровнены друг с другом. Вот почему мы видим изгибы и повороты в магнитном порядке, «доменной структуре».

Таким образом, обменное взаимодействие обеспечивает метод выравнивания спинов друг с другом на коротком масштабе, а минимизация поля рассеяния формирует более крупную структуру во всех доменах. (Другие вклады могут исходить от внешних магнитных полей и магнитокристаллической анизотропии).

Я, возможно, ушел от темы, но я надеюсь, что это ответит на часть вашего вопроса :)

Это потому, что электроны в зоне проводимости коррелированы, движение и спин не являются некоррелированными, поскольку действует принцип Паули, если спины противоположны, движение может быть более «свободным», но если они указывают в одном направлении, они могут быть ближе ( взаимосвязь) Биржевое взаимодействие