El teorema de Bohr-Van Leeuwen, descubierto en la década de 1910, demostró que las teorías de la física clásica no pueden explicar ninguna forma de magnetismo, incluido el ferromagnetismo. En la actualidad, el magnetismo se considera un efecto puramente mecánico cuántico. El ferromagnetismo surge debido a dos efectos de la mecánica cuántica: el espín y el principio de exclusión de Pauli.
Origen del magnetismoEditar
Una de las propiedades fundamentales de un electrón (además de que lleva carga) es que tiene un momento dipolar magnético, es decir, se comporta como un pequeño imán, produciendo un campo magnético. Este momento dipolar proviene de la propiedad más fundamental del electrón de tener un espín mecánico cuántico. Debido a su naturaleza cuántica, el espín del electrón sólo puede estar en uno de dos estados; con el campo magnético apuntando hacia «arriba» o hacia «abajo» (para cualquier opción de arriba y abajo). El espín de los electrones en los átomos es la principal fuente de ferromagnetismo, aunque también hay una contribución del momento angular orbital del electrón alrededor del núcleo. Cuando estos dipolos magnéticos en un trozo de materia están alineados, (apuntan en la misma dirección) sus diminutos campos magnéticos individuales se suman para crear un campo macroscópico mucho mayor.
Sin embargo, los materiales hechos de átomos con cáscaras de electrones llenas tienen un momento dipolar total de cero: debido a que los electrones existen todos en pares con espín opuesto, el momento magnético de cada electrón es cancelado por el momento opuesto del segundo electrón en el par. Sólo los átomos con envolturas parcialmente llenas (es decir, con espines no apareados) pueden tener un momento magnético neto, por lo que el ferromagnetismo sólo se produce en materiales con envolturas parcialmente llenas. Debido a las reglas de Hund, los primeros electrones de una cáscara tienden a tener el mismo espín, aumentando así el momento dipolar total.
Estos dipolos no apareados (a menudo llamados simplemente «espines», aunque generalmente también incluyen el momento angular orbital) tienden a alinearse en paralelo a un campo magnético externo, un efecto llamado paramagnetismo. Sin embargo, el ferromagnetismo implica un fenómeno adicional: en algunas sustancias los dipolos tienden a alinearse espontáneamente, dando lugar a una magnetización espontánea, incluso cuando no hay un campo aplicado.
Interacción de intercambioEditar
Cuando dos átomos cercanos tienen electrones no apareados, el hecho de que los espines de los electrones sean paralelos o antiparalelos afecta a que los electrones puedan compartir la misma órbita como resultado del efecto mecánico cuántico llamado interacción de intercambio. Esto, a su vez, afecta a la ubicación de los electrones y a la interacción de Coulomb (electrostática) y, por tanto, a la diferencia de energía entre estos estados.
La interacción de intercambio está relacionada con el principio de exclusión de Pauli, que dice que dos electrones con el mismo espín no pueden estar también en el mismo estado espacial (orbital). Esto es una consecuencia del teorema del espín-estadístico y de que los electrones son fermiones. Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, cuando los orbitales de los electrones de valencia externos no apareados de átomos adyacentes se superponen, las distribuciones de su carga eléctrica en el espacio están más alejadas cuando los electrones tienen espines paralelos que cuando tienen espines opuestos. Esto reduce la energía electrostática de los electrones cuando sus espines son paralelos en comparación con su energía cuando los espines son antiparalelos, por lo que el estado de espines paralelos es más estable. En términos sencillos, los electrones, que son atraídos por los núcleos, pueden cambiar su estado espacial para que ambos estén más cerca de ambos núcleos alineando sus espines en direcciones opuestas, por lo que los espines de estos electrones tienden a ser antiparalelos. Esta diferencia de energía se denomina energía de intercambio.
Esta diferencia de energía puede ser órdenes de magnitud mayores que las diferencias de energía asociadas a la interacción magnética dipolo-dipolo debido a la orientación del dipolo, que tiende a alinear los dipolos antiparalelamente. En ciertos óxidos semiconductores dopados se ha demostrado que las interacciones RKKY dan lugar a interacciones magnéticas periódicas de mayor alcance, un fenómeno de importancia en el estudio de los materiales espintrónicos.
Los materiales en los que la interacción de intercambio es mucho más fuerte que la interacción dipolo-dipolo competidora se denominan frecuentemente materiales magnéticos. Por ejemplo, en el hierro (Fe) la fuerza de intercambio es unas 1000 veces más fuerte que la interacción dipolar. Por lo tanto, por debajo de la temperatura de Curie, prácticamente todos los dipolos de un material ferromagnético estarán alineados. Además del ferromagnetismo, la interacción de intercambio también es responsable de los otros tipos de ordenación espontánea de los momentos magnéticos atómicos que se dan en los sólidos magnéticos, el antiferromagnetismo y el ferrimagnetismo.Existen diferentes mecanismos de interacción de intercambio que crean el magnetismo en diferentes sustancias ferromagnéticas, ferrimagnéticas y antiferromagnéticas. Estos mecanismos incluyen el intercambio directo, el intercambio RKKY, el doble intercambio y el superexchange.
Anisotropía magnéticaEditar
Aunque la interacción de intercambio mantiene los espines alineados, no los alinea en una dirección concreta. Sin anisotropía magnética, los espines de un imán cambian aleatoriamente de dirección en respuesta a las fluctuaciones térmicas y el imán es superparamagnético. Hay varios tipos de anisotropía magnética, el más común de los cuales es la anisotropía magnetocristalina. Se trata de una dependencia de la energía de la dirección de la magnetización con respecto a la red cristalina. Otra fuente común de anisotropía, la magnetostricción inversa, es inducida por tensiones internas. Los imanes monodominio también pueden tener una anisotropía de forma debido a los efectos magnetostáticos de la forma de la partícula. A medida que aumenta la temperatura de un imán, la anisotropía tiende a disminuir, y a menudo hay una temperatura de bloqueo en la que se produce una transición al superparamagnetismo.
Dominios magnéticosEditar
Movimiento de dominios magnéticos dinámicos electromagnéticos de acero al silicio eléctrico de grano orientado.
Lo anterior parecería sugerir que toda pieza de material ferromagnético debería tener un fuerte campo magnético, ya que todos los espines están alineados, sin embargo, el hierro y otros ferromagnetos se encuentran a menudo en un estado «no magnetizado». Esto se debe a que una pieza de material ferromagnético está dividida en pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos (también conocidos como dominios de Weiss). Dentro de cada dominio, los espines están alineados, pero (si el material a granel está en su configuración de energía más baja; es decir, sin magnetizar), los espines de los dominios separados apuntan en diferentes direcciones y sus campos magnéticos se cancelan, por lo que el objeto no tiene un campo magnético neto a gran escala.
Los materiales ferromagnéticos se dividen espontáneamente en dominios magnéticos porque la interacción de intercambio es una fuerza de corto alcance, por lo que a grandes distancias de muchos átomos gana la tendencia de los dipolos magnéticos a reducir su energía orientándose en direcciones opuestas. Si todos los dipolos de un trozo de material ferromagnético se alinean en paralelo, se crea un gran campo magnético que se extiende por el espacio que lo rodea. Éste contiene mucha energía magnetostática. El material puede reducir esta energía dividiéndose en muchos dominios que apuntan en diferentes direcciones, de modo que el campo magnético se limita a pequeños campos locales en el material, reduciendo el volumen del campo. Los dominios están separados por finas paredes de dominio de un número de moléculas de grosor, en las que la dirección de magnetización de los dipolos gira suavemente de la dirección de un dominio a la de otro.
Materiales magnetizadosEditar
Así, un trozo de hierro en su estado de energía más bajo («no magnetizado») generalmente tiene poco o ningún campo magnético neto. Sin embargo, los dominios magnéticos en un material no están fijos en su lugar; son simplemente regiones donde los espines de los electrones se han alineado espontáneamente debido a sus campos magnéticos, y por lo tanto pueden ser alterados por un campo magnético externo. Si se aplica al material un campo magnético externo lo suficientemente fuerte, las paredes de los dominios se moverán por el proceso de que los espines de los electrones de los átomos cercanos a la pared de un dominio giren bajo la influencia del campo externo para orientarse en la misma dirección que los electrones del otro dominio, reorientando así los dominios para que más dipolos se alineen con el campo externo. Los dominios permanecerán alineados cuando se elimine el campo externo, creando un campo magnético propio que se extiende en el espacio que rodea al material, creando así un imán «permanente». Los dominios no vuelven a su configuración original de energía mínima cuando se retira el campo, porque las paredes de los dominios tienden a «clavarse» o «engancharse» en los defectos de la red cristalina, conservando su orientación paralela. Esto se muestra mediante el efecto Barkhausen: al cambiar el campo magnetizador, la magnetización cambia en miles de pequeños saltos discontinuos a medida que las paredes de los dominios se «enganchan» repentinamente a los defectos.
Esta magnetización en función del campo externo se describe mediante una curva de histéresis. Aunque este estado de dominios alineados que se encuentra en un trozo de material ferromagnético magnetizado no es una configuración de energía mínima, es metaestable, y puede persistir durante largos períodos, como demuestran las muestras de magnetita del fondo marino que han mantenido su magnetización durante millones de años.
Calentar y luego enfriar (recocido) un material magnetizado, someterlo a vibraciones mediante un martilleo o aplicar un campo magnético que oscile rápidamente desde una bobina de desmagnetización tiende a liberar las paredes de los dominios de su estado de pinzamiento, y los límites de los dominios tienden a volver a una configuración de menor energía con menos campo magnético externo, desmagnetizando así el material.
Los imanes comerciales están hechos de materiales ferromagnéticos o ferrimagnéticos «duros» con una anisotropía magnética muy grande, como el alnico y las ferritas, que tienen una tendencia muy fuerte a que la magnetización apunte a un eje del cristal, el «eje fácil». Durante su fabricación, los materiales se someten a diversos procesos metalúrgicos en un potente campo magnético, que alinea los granos de cristal de modo que sus ejes de magnetización «fáciles» apuntan todos en la misma dirección. De este modo, la magnetización, y el campo magnético resultante, se «incorpora» a la estructura cristalina del material, lo que hace muy difícil su desmagnetización.
Temperatura de CurieEditar
A medida que aumenta la temperatura, el movimiento térmico, o entropía, compite con la tendencia ferromagnética de los dipolos a alinearse. Cuando la temperatura se eleva más allá de un determinado punto, llamado temperatura de Curie, se produce una transición de fase de segundo orden y el sistema ya no puede mantener una magnetización espontánea, por lo que desaparece su capacidad de ser magnetizado o atraído por un imán, aunque sigue respondiendo paramagnéticamente a un campo externo. Por debajo de esa temperatura, se produce una ruptura espontánea de la simetría y los momentos magnéticos se alinean con sus vecinos. La propia temperatura de Curie es un punto crítico, en el que la susceptibilidad magnética es teóricamente infinita y, aunque no hay magnetización neta, las correlaciones de espín tipo dominio fluctúan en todas las escalas de longitud.
El estudio de las transiciones de fase ferromagnéticas, especialmente a través del modelo de espín de Ising simplificado, tuvo un importante impacto en el desarrollo de la física estadística. Allí se demostró claramente por primera vez que las aproximaciones de la teoría de campo medio no predecían el comportamiento correcto en el punto crítico (que se descubrió que caía bajo una clase de universalidad que incluye muchos otros sistemas, como las transiciones líquido-gas), y tuvo que ser sustituida por la teoría de grupos de renormalización.