1910年代に発見された「ボーア＝ヴァン＝ローウェンの定理」は、古典物理学の理論では強磁性を含むあらゆる形態の磁気を説明できないことを示した。 現在、磁気は純粋に量子力学的な効果であると考えられている。
磁性の起源
電子の基本的な性質の1つは、電荷を持つことの他に、磁気双極子モーメントを持つことである。 この双極子モーメントは、電子が量子力学的なスピンを持つという、より基本的な性質に由来する。 その量子力学的性質により、電子のスピンは、磁場が “上 “または “下 “を向く2つの状態のいずれかになる。 原子の中の電子のスピンが強磁性の主な原因であるが、原子核に対する電子の軌道角運動量からの寄与もある。
ただし、電子殻が満たされた原子からなる物質は、全体の双極子モーメントがゼロになります。電子はすべて反対のスピンを持つペアで存在するため、すべての電子の磁気モーメントは、ペアの2番目の電子の反対のモーメントによって打ち消されます。 殻の一部が満たされている（つまり、スピンが対になっていない）原子だけが正味の磁気モーメントを持つことができるので、強磁性は殻の一部が満たされている物質でのみ生じるのである。
これらの対を成さない双極子(一般的には軌道角運動量も含むが、単に「スピン」と呼ばれることが多い)は、外部磁場に対して平行に配列する傾向があり、これを常磁性と呼ぶ。
Exchange interactionEdit
近くにある2つの原子が不対電子を持つ場合、電子のスピンが平行か反平行かによって、交換相互作用と呼ばれる量子力学的効果の結果、電子が同じ軌道を共有できるかどうかが変わります。
交換相互作用は、「同じスピンを持つ2つの電子は、同じ空間状態（軌道）にいることはできない」というパウリの排他原理と関係している。 これは、スピン統計学の定理と、電子がフェルミオンであることの帰結である。 そのため、ある条件の下で、隣り合う原子の不対の外側の価電子の軌道が重なり合ったとき、空間における電荷の分布は、電子のスピンが平行なときのほうが、逆のスピンを持つときよりも離れていることになる。 これにより、電子のスピンが平行なときの静電エネルギーは、スピンが反平行なときの静電エネルギーよりも小さくなり、平行スピンの状態がより安定することになる。 簡単に言えば、原子核に引きつけられている電子は、スピンを逆方向に揃えることで、両方の原子核に近づくように空間状態を変えることができるので、これらの電子のスピンは反平行になりやすい。
このエネルギー差は、双極子が反平行に揃う傾向がある双極子の配向による磁気双極子相互作用に伴うエネルギー差よりも数桁大きいことがあります。
交換相互作用が双極子-双極子相互作用に比べて非常に強い物質は、しばしば磁性体と呼ばれます。 例えば、鉄(Fe)では、交換力が双極子相互作用の約1000倍もあります。 そのため、キュリー温度以下では、強磁性体の双極子のほとんどが整列する。 交換相互作用は、強磁性以外にも、磁性体で自発的に起こる原子の磁気モーメントの秩序化、すなわち反強磁性やフェリ磁性にも関与している。強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体には、それぞれ異なる交換相互作用のメカニズムが存在する。
Magnetic anisotropyEdit
交換相互作用はスピンを整列させるものの、特定の方向に整列させるわけではありません。 磁気異方性がなければ、磁石の中のスピンは熱揺らぎに応じてランダムに方向を変え、その磁石は超常磁性体となります。 磁気異方性にはいくつかの種類があるが、その中でも最も一般的なのが「結晶磁気異方性」である。 これは、結晶格子に対する磁化の方向にエネルギーが依存するものである。 もう一つの一般的な異方性である逆磁歪は、内部ひずみによって誘発される。 また、単一ドメインの磁石では、粒子の形状による静磁場効果により、形状異方性が生じることがあります。 磁石の温度が上昇すると、異方性は減少する傾向にあり、超常磁性への移行が起こるブロック温度がしばしば存在します。
Magnetic domainsEdit
結晶粒配向した電気けい素鋼の電磁的な動的磁区運動。
磁区を示す金属表面のカー顕微鏡写真、赤と緑のストライプは反対の磁化方向を示している
以上のことから、すべてのスピンが整列しているのだから、強磁性体のどの部分も強い磁場を持っているはずだと思われますが、鉄などの強磁性体はしばしば「非磁性」の状態で発見されます。 これは、バルクの強磁性体が磁区（ワイスドメインとも呼ばれる）と呼ばれる小さな領域に分かれているためである。
強磁性体が磁区に自発的に分かれるのは、交換相互作用が短距離の力であるため、多くの原子の長い距離では、磁気双極子が反対方向に向いてエネルギーを減らそうとする傾向が勝るからです。 強磁性体の双極子をすべて平行に並べると、周囲の空間に大きな磁場が広がる。 この中には多くの静磁場のエネルギーが含まれている。 この物質は、異なる方向を向いた多くのドメインに分割することで、このエネルギーを減らすことができる。そうすれば、磁場は物質内の小さな局所磁場に限定され、磁場の体積は小さくなる。 ドメインは、分子数個分の厚さの薄いドメイン壁で隔てられており、その中で双極子の磁化の方向は、一方のドメインの方向から他方のドメインの方向へと滑らかに回転します。
磁化された物質 編集
カー顕微鏡で観察された、「下向き」の外部磁場の増加によって引き起こされるケイ素鋼の粒内の動くドメイン壁。 白い部分は磁化が上向きのドメイン、暗い部分は磁化が下向きのドメイン。
このように、エネルギーが最も低い状態（「非磁性」）の鉄片は、一般的に正味の磁界をほとんど持たない。 しかし、物質中の磁区は固定されたものではなく、単に電子のスピンが磁場によって自発的に整列した領域であり、外部磁場によって変化させることができます。 十分に強い外部磁場をかけると、一方のドメインの壁に近い原子の電子のスピンが外場の影響を受けて他方のドメインの電子と同じ方向を向く過程でドメインの壁が移動し、双極子の多くが外場に沿うようにドメインの向きが変わる。 外場を取り除いてもドメインの向きは変わらず、材料の周囲の空間に磁界が発生し、「永久磁石」ができあがるのである。 ドメインの壁は、結晶格子の欠陥に「挟まれる」または「引っかかる」傾向があり、平行な配向が維持されるため、磁場を除去してもドメインは元の最小エネルギー配置には戻らない。
この磁化を外場の関数として見ると、ヒステリシス曲線で表されます。
磁化された強磁性体に見られるこの整列したドメインの状態は、最小エネルギー構成ではありませんが、準安定であり、何百万年も磁化を維持している海底のマグネタイトのサンプルで示されているように、長期にわたって持続することができます。
磁化された材料を加熱してから冷却（アニール）したり、ハンマーで叩いて振動を与えたり、デガウスコイルから急速に振動する磁場をかけたりすると、ドメインの壁が固定された状態から解放され、ドメインの境界が外部磁場の少ない低エネルギーの構成に戻る傾向があり、その結果、材料が減磁されます。
市販の磁石は、アルニコやフェライトのような磁気異方性が非常に大きい「硬い」強磁性体やフェリ磁性体で作られており、磁化が結晶の一軸（容易軸）に沿って進む傾向が非常に強いです。 製造時には、強力な磁場の中でさまざまな冶金プロセスが行われ、結晶粒が整列して磁化の「容易軸」がすべて同じ方向を向くようになる。
Curie temperatureEdit
温度が上昇すると、熱運動（エントロピー）が双極子が整列する強磁性傾向と競合します。 温度がキュリー温度と呼ばれるある点を超えて上昇すると、2次の相転移が起こり、系はもはや自発的な磁化を維持することができなくなり、外部の磁場には常磁性的に反応するものの、磁石に磁化されたり引き寄せられたりする能力はなくなります。 その温度以下では、自発的な対称性の破れが生じ、磁気モーメントが隣り合うものと整列するようになる。
強磁性相転移の研究は、特に単純化されたイジング・スピンモデルによるもので、統計物理学の発展に重要な影響を与えました。 そこでは、平均場理論のアプローチが臨界点での正しい挙動を予測できないことが初めて明確に示され（臨界点は、液体-気体転移などの多くの他の系を含む普遍性クラスに該当することがわかった）、繰り込み群理論に置き換えられなければなりませんでした。