Ferromagnetismus

Definition

Der Ferromagnetismus (lat.: ferrum Eisen; von griech.: magnetis (lithos) Stein aus Magnesien) ist dadurch charakterisiert, dass die elementaren magnetischen Momente eines Festkörpers eine parallele Ordnung aufweisen. Beim Ferromagnetismus handelt es sich um ein kooperatives Phänomen. Einen ferromagnetischen Festkörper bezeichnet man als Ferromagnet. Ferromagnetische Ordnung bei Raumtemperatur zeigen die Metalle Eisen, Nickel und Kobalt sowie diverse Legierungen. Hierbei ist es unerheblich ob die Metalle kristallin oder amorph vorliegen. Die magnetische Ordnung wird bei hohen Temperaturen aufgebrochen, die Ferromagneten werden dann paramagnetisch. Die Temperatur, ab der die ferromagnetische Ordnung verschwindet, wird als Curie-Temperatur $T_{\rm {C}}$ (nach Marie Curie) bezeichnet. Bei tiefen Temperaturen beobachtet man ferromagnetische Ordnung auch bei Stoffen, die bei Raumtemperatur paramagnetisch sind, wie z.B. bei den Lanthanoiden Gadolinium und Dysprosium.

Physikalischer Ursprung

Träger der elementaren magnetischen Momente sind die Elektronenspins. Wie bei anderen kooperativen magnetischen Phänomenen ist auch beim Ferromagnetismus die magnetische Wechselwirkung viel zu schwach, um für die Ordnung der Spins verantwortlich zu sein. Bei der ferromagnetischen Ordnung kommt noch hinzu, daß die parallele Ausrichtung magnetischer Momente energetisch ungünstig ist. Verantwortlich für die parallele Spinordnung des Ferromagneten ist die Austauschwechselwirkung. Eine anschauliche Darstellung hierzu gibt die Bethe-Slater-Kurve, welche die Austauschwechselwirkung in Abhängigkeit des relativen Atomabstandes zeigt. Der relative Atomabstand ist hierbei das Verhältnis des Atomabstandes der benachbarten Atome zum Durchmesser der nicht abgeschlossenen Elektronenschale.

In einem Satz: Die Ordnung der magnetischen Momente wird durch die Austauschwechselwirkung vermittelt, nicht durch magnetische Wechselwirkung!

Domänen

Die Austauschwechselwirkung wirkt nur zwischen Fermionen, deren Wellenfunktionen einen wesentlichen Überlapp aufweisen, in der Regel also nur zwischen nahegelegenen Teilchen. Die magnetische Wechselwirkung wirkt hingegen auch zwischen weit entfernt liegenden magnetischen Momenten. Daher steigt in einem ausgedehnten Ferromagneten der magnetische Energieaufwand irgendwann über den Energiegewinn der Austauschwechselwirkung. Die ferromagnetische Ordnung des Festkörpers zerfällt dann in unterschiedlich orientierte Domänen. Die Bereiche des Festkörpers, in denen unterschiedlich orientierte Domänen aufeinandertreffen, heißen Domänenwand oder Blochwand. Die Ausbildung der Domänenwand erfordert die Verrichtung von Arbeit gegen die Austauschwechselwirkung, die Verkleinerung der Domänen (des Volumens einer zusammenhängenden Domäne) reduziert die magnetische Energie eines Festkörpers.