Магнетизам диелектрика и полупроводника

За разлику од метала, диелектрици и полупроводници обично немају путујуће електроне. дакле, магнетни моменти у овим супстанцама су локализовани заједно са електронима у јонским стањима. Ово је главна разлика. магнетизам метала, описан теоријом појаса, магнетизмом диелектрика и полупроводника.

Према теорији појаса, диелектрици су кристали који садрже паран број електрона… То значи да диелектрици могу само да изложе дијамагнетна својства, што, међутим, не објашњава нека својства многих супстанци овог типа.

У ствари, парамагнетизам локализованих електрона, као и феро- и антиферомагнетизам (једно од магнетних стања супстанце, које се одликује чињеницом да су магнетни моменти суседних честица супстанце оријентисани један према другом, а самим тим и магнетизација тело као целина је веома мало) диелектрика је резултат кулоновског међусобног одбијања електрона (кулоновска интеракцијска енергија електрона Уц у реалним атомима креће се од 1 до 10 или више електрон волти).

Претпоставимо да се у изолованом атому појавио додатни електрон, који је проузроковао повећање његове енергије за вредност е. То значи да је следећи електрон на енергетском нивоу Уц + е. Унутар кристала, енергетски нивои ова два електрона се деле у траке, и све док постоји јаз у појасу, кристал је или полупроводник или диелектрик.

Заједно, две зоне обично садрже паран број електрона, али може настати ситуација да је само доња зона попуњена и да је број електрона у њој непаран.

Такав диелектрик се зове Мотт-Хуббард диелектрик… Ако су интеграли преклапања мали, тада ће диелектрик показати парамагнетизам, у супротном ће доћи до израженог антиферомагнетизма.

Диелектрици као што су ЦрБр3 или ЕуО показују феромагнетизам заснован на интеракцији супер размене. Већина феромагнетних диелектрика састоји се од магнетних 3д-јона раздвојених немагнетним јонима.

У ситуацији када је растојање за директну интеракцију 3д-орбитала једна са другом велика, интеракција размене је и даље могућа – преклапањем таласних функција 3д-орбитала магнетних јона и п-орбитала немагнетних ањона.

Орбитале два типа се "мешају", њихови електрони постају заједнички за неколико јона - ово је интеракција супер размене. Да ли је такав диелектрик феромагнетни или антиферомагнетни одређује се типом д-орбитала, бројем њихових електрона, а такође и углом под којим се види пар магнетних јона одакле се немагнетни јон налази.

Антисиметрична размена интеракција (названа Дзиалосзински-Мориа интеракција) између две ћелије са спин векторима С1 и С2 има енергију различиту од нуле само ако ћелије у питању нису магнетски еквивалентне.

Интеракција овог типа се уочава код неких антиферомагнета у виду слабе спонтане магнетизације (у виду слабог феромагнетизма), односно магнетизација је хиљадити у поређењу са магнетизацијом конвенционалних феромагнета… Примери таквих супстанци: хематит, манган карбонат, кобалт карбонат.