Le théorème de Bohr-Van Leeuwen, découvert dans les années 1910, a montré que les théories de la physique classique sont incapables de rendre compte de toute forme de magnétisme, y compris le ferromagnétisme. Le magnétisme est désormais considéré comme un effet purement mécanique quantique. Le ferromagnétisme est dû à deux effets issus de la mécanique quantique : le spin et le principe d’exclusion de Pauli.
Origine du magnétismeEdit
L’une des propriétés fondamentales d’un électron (outre le fait qu’il porte une charge) est qu’il possède un moment dipolaire magnétique, c’est-à-dire qu’il se comporte comme un minuscule aimant, produisant un champ magnétique. Ce moment dipolaire provient de la propriété plus fondamentale de l’électron, à savoir qu’il possède un spin mécanique quantique. En raison de sa nature quantique, le spin de l’électron ne peut se trouver que dans l’un des deux états suivants : le champ magnétique pointe soit vers le haut, soit vers le bas (pour tout choix de haut et de bas). Le spin des électrons dans les atomes est la principale source de ferromagnétisme, bien qu’il y ait également une contribution du moment angulaire orbital de l’électron autour du noyau. Lorsque ces dipôles magnétiques dans un morceau de matière sont alignés, (pointent dans la même direction) leurs minuscules champs magnétiques individuels s’additionnent pour créer un champ macroscopique beaucoup plus important.
Cependant, les matériaux constitués d’atomes dont les coquilles électroniques sont remplies ont un moment dipolaire total de zéro : comme les électrons existent tous par paires avec un spin opposé, le moment magnétique de chaque électron est annulé par le moment opposé du deuxième électron de la paire. Seuls les atomes dont la coquille est partiellement remplie (c’est-à-dire dont les spins ne sont pas appariés) peuvent avoir un moment magnétique net, de sorte que le ferromagnétisme n’apparaît que dans les matériaux dont la coquille est partiellement remplie. En raison des règles de Hund, les quelques premiers électrons d’une coquille ont tendance à avoir le même spin, ce qui augmente le moment dipolaire total.
Ces dipôles non appariés (souvent appelés simplement « spins » même s’ils incluent aussi généralement le moment angulaire orbital) ont tendance à s’aligner parallèlement à un champ magnétique externe, un effet appelé paramagnétisme. Le ferromagnétisme implique cependant un phénomène supplémentaire : dans quelques substances, les dipôles ont tendance à s’aligner spontanément, donnant lieu à une aimantation spontanée, même en l’absence de champ appliqué.
Interaction d’échangeModifier
Lorsque deux atomes proches ont des électrons non appariés, le fait que les spins des électrons soient parallèles ou antiparallèles affecte la possibilité pour les électrons de partager la même orbite suite à l’effet mécanique quantique appelé interaction d’échange. Cela affecte à son tour la localisation de l’électron et l’interaction de Coulomb (électrostatique) et donc la différence d’énergie entre ces états.
L’interaction d’échange est liée au principe d’exclusion de Pauli, qui dit que deux électrons avec le même spin ne peuvent pas également être dans le même état spatial (orbite). C’est une conséquence du théorème de la statistique du spin et du fait que les électrons sont des fermions. Par conséquent, dans certaines conditions, lorsque les orbitales des électrons de valence extérieurs non appariés d’atomes adjacents se chevauchent, les distributions de leur charge électrique dans l’espace sont plus éloignées lorsque les électrons ont des spins parallèles que lorsqu’ils ont des spins opposés. Cela réduit l’énergie électrostatique des électrons lorsque leurs spins sont parallèles par rapport à leur énergie lorsque les spins sont antiparallèles, de sorte que l’état de spins parallèles est plus stable. En termes simples, les électrons, qui sont attirés par les noyaux, peuvent changer leur état spatial afin d’être plus proches des deux noyaux en alignant leurs spins dans des directions opposées, de sorte que les spins de ces électrons tendent à être antiparallèles. Cette différence d’énergie est appelée énergie d’échange.
Cette différence d’énergie peut être de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux différences d’énergie associées à l’interaction dipôle-dipôle magnétique en raison de l’orientation du dipôle, qui tend à aligner les dipôles de manière antiparallèle. Dans certains oxydes semi-conducteurs dopés, il a été démontré que les interactions RKKY entraînent des interactions magnétiques périodiques à plus longue portée, un phénomène important pour l’étude des matériaux spintroniques.
Les matériaux dans lesquels l’interaction d’échange est beaucoup plus forte que l’interaction dipôle-dipôle concurrente sont fréquemment appelés matériaux magnétiques. Par exemple, dans le fer (Fe), la force d’échange est environ 1000 fois plus forte que l’interaction dipôle. Par conséquent, en dessous de la température de Curie, pratiquement tous les dipôles d’un matériau ferromagnétique seront alignés. Outre le ferromagnétisme, l’interaction d’échange est également responsable des autres types d’ordre spontané des moments magnétiques atomiques qui se produisent dans les solides magnétiques, l’antiferromagnétisme et le ferrimagnétisme. Il existe différents mécanismes d’interaction d’échange qui créent le magnétisme dans différentes substances ferromagnétiques, ferrimagnétiques et antiferromagnétiques. Ces mécanismes comprennent l’échange direct, l’échange RKKY, le double échange et le super-échange.
Anisotropie magnétiqueModifier
Bien que l’interaction d’échange maintienne les spins alignés, elle ne les aligne pas dans une direction particulière. Sans anisotropie magnétique, les spins d’un aimant changent aléatoirement de direction en réponse aux fluctuations thermiques et l’aimant est superparamagnétique. Il existe plusieurs types d’anisotropie magnétique, dont la plus courante est l’anisotropie magnétocristalline. Il s’agit d’une dépendance de l’énergie par rapport à la direction de l’aimantation par rapport au réseau cristallographique. Une autre source courante d’anisotropie, la magnétostriction inverse, est induite par des déformations internes. Les aimants à domaine unique peuvent également présenter une anisotropie de forme due aux effets magnétostatiques de la forme des particules. Lorsque la température d’un aimant augmente, l’anisotropie tend à diminuer, et il existe souvent une température de blocage à laquelle une transition vers le superparamagnétisme se produit.
Domaines magnétiquesEdit
Mouvement dynamique électromagnétique des domaines magnétiques d’un acier au silicium électrique à grains orientés.
Micrographie Kerr d’une surface métallique montrant des domaines magnétiques, les bandes rouges et vertes indiquant des directions d’aimantation opposées.
Ce qui précède semblerait suggérer que chaque morceau de matériau ferromagnétique devrait avoir un fort champ magnétique, puisque tous les spins sont alignés, pourtant le fer et d’autres ferromagnétiques sont souvent trouvés dans un état « non magnétisé ». La raison en est qu’un morceau de matériau ferromagnétique est divisé en minuscules régions appelées domaines magnétiques (également appelés domaines de Weiss). À l’intérieur de chaque domaine, les spins sont alignés, mais (si le matériau en vrac est dans sa configuration de plus basse énergie ; c’est-à-dire non magnétisé), les spins des domaines séparés pointent dans des directions différentes et leurs champs magnétiques s’annulent, de sorte que l’objet n’a pas de champ magnétique net à grande échelle.
Les matériaux ferromagnétiques se divisent spontanément en domaines magnétiques parce que l’interaction d’échange est une force à courte portée, donc sur de longues distances de nombreux atomes, la tendance des dipôles magnétiques à réduire leur énergie en s’orientant dans des directions opposées l’emporte. Si tous les dipôles d’un morceau de matériau ferromagnétique sont alignés parallèlement, il crée un grand champ magnétique qui s’étend dans l’espace qui l’entoure. Ce champ contient une grande quantité d’énergie magnétostatique. Le matériau peut réduire cette énergie en se divisant en de nombreux domaines orientés dans des directions différentes, de sorte que le champ magnétique soit confiné à de petits champs locaux dans le matériau, réduisant ainsi le volume du champ. Les domaines sont séparés par de fines parois de domaine d’un certain nombre de molécules d’épaisseur, dans lesquelles la direction de l’aimantation des dipôles tourne doucement de la direction d’un domaine à l’autre.
Matériaux magnétisésModifier
Mouvement des parois de domaines dans un grain d’acier au silicium causé par un champ magnétique externe croissant dans la direction « descendante », observé dans un microscope Kerr. Les zones blanches sont des domaines dont l’aimantation est dirigée vers le haut, les zones sombres sont des domaines dont l’aimantation est dirigée vers le bas.
Ainsi, un morceau de fer dans son état d’énergie le plus bas (« non magnétisé ») a généralement peu ou pas de champ magnétique net. Cependant, les domaines magnétiques d’un matériau ne sont pas fixés en place ; ce sont simplement des régions où les spins des électrons se sont alignés spontanément en raison de leurs champs magnétiques, et peuvent donc être modifiés par un champ magnétique externe. Si un champ magnétique externe suffisamment puissant est appliqué au matériau, les parois des domaines se déplaceront par le processus suivant : les spins des électrons des atomes proches de la paroi d’un domaine se tournent, sous l’influence du champ externe, dans la même direction que les électrons de l’autre domaine, réorientant ainsi les domaines de sorte que davantage de dipôles soient alignés avec le champ externe. Les domaines restent alignés lorsque le champ externe est supprimé, créant un champ magnétique propre qui s’étend dans l’espace autour du matériau, créant ainsi un aimant « permanent ». Les domaines ne reviennent pas à leur configuration d’énergie minimale d’origine lorsque le champ est supprimé, car les parois des domaines ont tendance à se fixer ou à s’accrocher aux défauts du réseau cristallin, préservant ainsi leur orientation parallèle. C’est ce que montre l’effet Barkhausen : lorsque le champ magnétisant est modifié, l’aimantation change en milliers de minuscules sauts discontinus, car les parois des domaines » s’accrochent » soudainement aux défauts.
Cette aimantation en fonction du champ externe est décrite par une courbe d’hystérésis. Bien que cet état de domaines alignés que l’on trouve dans un morceau de matériau ferromagnétique aimanté ne soit pas une configuration d’énergie minimale, il est métastable et peut persister pendant de longues périodes, comme le montrent des échantillons de magnétite du fond de la mer qui ont conservé leur aimantation pendant des millions d’années.
Chauffer puis refroidir (recuire) un matériau magnétisé, le soumettre à des vibrations en le martelant, ou appliquer un champ magnétique oscillant rapidement à partir d’une bobine de démagnétisation tend à libérer les parois du domaine de leur état figé, et les limites du domaine ont tendance à revenir à une configuration de plus faible énergie avec moins de champ magnétique externe, démagnétisant ainsi le matériau.
Les aimants commerciaux sont constitués de matériaux ferromagnétiques ou ferrimagnétiques « durs » présentant une très grande anisotropie magnétique, tels que l’alnico et les ferrites, qui ont une très forte tendance à ce que la magnétisation soit pointée le long d’un axe du cristal, l' »axe facile ». Au cours de leur fabrication, les matériaux sont soumis à divers processus métallurgiques dans un champ magnétique puissant, qui aligne les grains de cristal de sorte que leurs axes de magnétisation « faciles » pointent tous dans la même direction. Ainsi, l’aimantation, et le champ magnétique qui en résulte, est « intégrée » à la structure cristalline du matériau, ce qui le rend très difficile à démagnétiser.
Température de CurieModifier
A mesure que la température augmente, le mouvement thermique, ou entropie, entre en compétition avec la tendance ferromagnétique des dipôles à s’aligner. Lorsque la température s’élève au-delà d’un certain point, appelé température de Curie, il y a une transition de phase de second ordre et le système ne peut plus maintenir une magnétisation spontanée, de sorte que sa capacité à être magnétisé ou attiré par un aimant disparaît, bien qu’il réponde toujours de manière paramagnétique à un champ externe. En dessous de cette température, il y a une rupture spontanée de symétrie et les moments magnétiques s’alignent avec leurs voisins. La température de Curie elle-même est un point critique, où la susceptibilité magnétique est théoriquement infinie et, bien qu’il n’y ait pas de magnétisation nette, les corrélations de spin de type domaine fluctuent à toutes les échelles de longueur.
L’étude des transitions de phase ferromagnétiques, notamment via le modèle de spin simplifié d’Ising, a eu un impact important sur le développement de la physique statistique. Là, il a été pour la première fois clairement démontré que les approches de la théorie des champs moyens ne parvenaient pas à prédire le comportement correct au point critique (qui s’est avéré relever d’une classe d’universalité qui inclut de nombreux autres systèmes, tels que les transitions liquide-gaz), et devaient être remplacées par la théorie des groupes de renormalisation.
L’étude des transitions de phase ferromagnétiques a eu un impact important sur le développement de la physique statistique.