Magnetisme af dielektrika og halvledere
I modsætning til metaller har dielektrika og halvledere typisk ikke omrejsende elektroner. Derfor, magnetiske momenter i disse stoffer er de lokaliseret sammen med elektroner i ioniske tilstande. Dette er hovedforskellen. magnetisme af metaller, beskrevet af båndteorien, ved magnetismen af dielektrikum og halvledere.
Ifølge båndteori er dielektrikum krystaller, der indeholder et lige tal elektroner… Det betyder, at dielektrik kun kan udsætte diamagnetiske egenskaber, hvilket dog ikke forklarer nogle af egenskaberne ved mange stoffer af denne type.
Faktisk paramagnetisme af lokaliserede elektroner såvel som ferro- og antiferromagnetisme (en af de magnetiske tilstande af et stof, karakteriseret ved det faktum, at de magnetiske momenter af nabopartikler af stoffet er orienteret mod hinanden, og derfor magnetiseringen af kroppen som helhed er meget lille) af dielektrikum er resultatet af Coulomb-gensidig frastødning af elektroner (Coulomb-interaktionsenergien for elektroner Uc i reelle atomer varierer fra 1 til 10 eller mere elektronvolt).
Antag, at der dukkede en ekstra elektron op i et isoleret atom, som fik dens energi til at stige med værdien e. Det betyder, at den næste elektron er i energiniveauet Uc + e. Inde i krystallen opdeles energiniveauerne af disse to elektroner i bånd, og så længe båndgabet eksisterer, er krystallen enten en halvleder eller et dielektrikum.
Tilsammen indeholder de to zoner normalt et lige antal elektroner, men der kan opstå en situation, hvor kun den nederste zone er fyldt, og antallet af elektroner i den er ulige.
Et sådant dielektrikum kaldes Mott-Hubbard dielektrisk… Hvis overlapningsintegralerne er små, vil dielektrikumet udvise paramagnetisme, ellers vil der være udtalt antiferromagnetisme.
Dielektriske stoffer såsom CrBr3 eller EuO udviser ferromagnetisme baseret på superudvekslingsinteraktion. Størstedelen af ferromagnetiske dielektrika består af magnetiske 3d-ioner adskilt af ikke-magnetiske ioner.
I en situation, hvor afstanden for direkte interaktion af 3d-orbitaler med hinanden er stor, er udvekslingsinteraktion stadig mulig - ved at overlappe bølgefunktionerne af 3d-orbitaler af magnetiske ioner og p-orbitaler af ikke-magnetiske anioner.
Orbitaler af to typer "blander", deres elektroner bliver fælles for flere ioner - dette er superudvekslingsinteraktionen. Om et sådant dielektrikum er ferromagnetisk eller antiferromagnetisk bestemmes af typen af d-orbitaler, antallet af deres elektroner og også af den vinkel, hvor et par magnetiske ioner ses, hvorfra den ikke-magnetiske ion er placeret.
En antisymmetrisk udvekslingsinteraktion (kaldet Dzialoszinski-Moria-interaktion) mellem to celler med spinvektorer S1 og S2 har kun ikke-nul energi, hvis de pågældende celler ikke er magnetisk ækvivalente.
En interaktion af denne type observeres i nogle antiferromagneter i form af svag spontan magnetisering (i form af svag ferromagnetisme), dvs. magnetiseringen er en tusindedel sammenlignet med magnetisering af konventionelle ferromagneter… Eksempler på sådanne stoffer: hæmatit, mangancarbonat, cobaltcarbonat.