В отличие от металлов, диэлектрикам и полупроводникам не свойственно наличие коллективизированных электронов. Как следствие, магнитные моменты в данных веществах локализованы вместе с электронами на ионных состояниях. В этом и заключается главное отличие магнетизма металлов, описываемого зонной теорией, от магнетизма диэлектриков и полупроводников.
В соответствии с зонной теорией, диэлектрики являются кристаллами, содержащими в примитивной ячейке четное количество электронов. А это значит, что диэлектрики могут проявлять лишь диамагнитные свойства, что, однако, не объясняет некоторых свойств многих веществ такого рода.
На самом деле парамагнетизм локализованных электронов, а также ферро- и антиферромагнетизм (одно из магнитных состояний вещества, отличающееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы навстречу друг другу, и поэтому намагниченность тела в целом очень мала) диэлектриков является результатом кулоновского взаимного отталкивания электронов (энергия кулоновского взаимодействия электронов Uс в реальных атомах находится в пределах от 1 до 10 и более электронвольт).
Допустим что в изолированном атоме появился дополнительный электрон, что привело к возрастанию его энергии на величину e. Значит следующий электрон оказывается на энергетическом уровне Uc+e. Внутри кристалла энергетические уровни двух этих электронов расщепляются на зоны, и пока запрещенная зона существует, кристалл является либо полупроводником, либо диэлектриком.
Вместе обе зоны обычно содержат четное количество электронов, но может возникнуть ситуация, в которой заполнена только нижняя зона и в ней число электронов нечетно.
Такой диэлектрик называется диэлектриком Мотта-Хаббарда. Если интегралы перекрытия малы, то диэлектрик будет проявлять парамагнетизм, в противном случае возникнет ярко выраженный антиферромагнетизм.
Такие диэлектрики как CrBr3 или EuO проявляют ферромагнетизм, в основе которого лежит суперобменное взаимодействие. В подавляющем большинстве ферромагнитные диэлектрики состоят из магнитных 3d — ионов, разделенных немагнитными ионами.
В ситуации когда расстояние для непосредственного взаимодействия 3d-орбиталей друг с другом велико, тем не менее обменное взаимодействие возможно - путем перекрытия волновых функций 3d-орбиталей магнитных ионов и p-орбиталей немагнитных анионов.
Орбитали двух типов «смешиваются», их электроны становятся общими для нескольких ионов — это и есть суперобменное взаимодействие. То, является ли такой диэлектрик ферромагнетиком или антиферромагнетиком, определяется типом d-орбиталей, количеством их электронов, а также углом, под которым видна пара магнитных ионов из узла, в котором расположен немагнитный ион.
Антисимметричное обменное взаимодействие (называемое взаимодействием Дзялошинского-Мория) между двумя ячейками с векторами спина S1 и S2 имеет не равную нулю энергию только если рассматриваемые ячейки не магнитно эквивалентны.
Взаимодействие данного типа наблюдается в некоторых антиферромагнетиках в виде слабой спонтанной намагниченности (в форме слабого ферромагнетизма), то есть намагниченность составляет тысячные доли по сравнению с намагниченностью обычных ферромагнетиков. Примеры таких веществ: гематит, карбонат марганца, карбонат кобальта.
Андрей Повный