Magnetyzm dielektryków i półprzewodników
W przeciwieństwie do metali, dielektryki i półprzewodniki zwykle nie mają wędrownych elektronów. Dlatego, momenty magnetyczne w tych substancjach są one zlokalizowane razem z elektronami w stanach jonowych. To jest główna różnica. magnetyzm metali, opisanych teorią pasmową, magnetyzmem dielektryków i półprzewodników.
Zgodnie z teorią pasmową dielektryki to kryształy zawierające liczbę parzystą elektrony… Oznacza to, że dielektryki mogą tylko eksponować właściwości diamagnetyczne, co jednak nie wyjaśnia niektórych właściwości wielu substancji tego typu.
W rzeczywistości paramagnetyzm zlokalizowanych elektronów, a także ferro- i antyferromagnetyzm (jeden ze stanów magnetycznych substancji, charakteryzujący się tym, że momenty magnetyczne sąsiednich cząstek substancji są zorientowane względem siebie, a zatem namagnesowanie ciało jako całość jest bardzo małe) dielektryków jest wynikiem kulombowskiego wzajemnego odpychania się elektronów (energia oddziaływania kulombowskiego elektronów Uc w rzeczywistych atomach wynosi od 1 do 10 lub więcej elektronowoltów).
Załóżmy, że w izolowanym atomie pojawił się dodatkowy elektron, co spowodowało wzrost jego energii o wartość e. Oznacza to, że następny elektron znajduje się na poziomie energii Uc + e. Wewnątrz kryształu poziomy energii tych dwóch elektronów rozdzielają się na pasma i dopóki istnieje pasmo wzbronione, kryształ jest albo półprzewodnikiem, albo dielektrykiem.
Obie strefy razem zawierają zwykle parzystą liczbę elektronów, ale może się zdarzyć, że tylko dolna strefa jest wypełniona, a liczba elektronów w niej jest nieparzysta.
Taki dielektryk nazywa się Dielektryk Motta-Hubbarda… Jeśli całki nakładania się są małe, dielektryk będzie wykazywał paramagnetyzm, w przeciwnym razie będzie wyraźny antyferromagnetyzm.
Dielektryki, takie jak CrBr3 lub EuO, wykazują ferromagnetyzm oparty na oddziaływaniach superwymiennych. Większość dielektryków ferromagnetycznych składa się z magnetycznych jonów 3d oddzielonych jonami niemagnetycznymi.
W sytuacji, gdy odległość do bezpośredniego oddziaływania 3d-orbitali ze sobą jest duża, nadal możliwa jest interakcja wymienna - poprzez nakładanie się funkcji falowych 3d-orbitali jonów magnetycznych i p-orbitali anionów niemagnetycznych.
Orbitale dwóch typów „mieszają się”, ich elektrony stają się wspólne dla kilku jonów - jest to oddziaływanie superwymienne. To, czy taki dielektryk jest ferromagnetyczny czy antyferromagnetyczny, zależy od rodzaju d-orbitali, liczby ich elektronów, a także od kąta, pod jakim widziana jest para jonów magnetycznych z miejsca, w którym znajduje się jon niemagnetyczny.
Antysymetryczne oddziaływanie wymienne (nazywane oddziaływaniem Działoszyńskiego-Morii) między dwiema komórkami o wektorach spinowych S1 i S2 ma niezerową energię tylko wtedy, gdy dane komórki nie są magnetycznie równoważne.
Oddziaływanie tego typu obserwuje się w niektórych antyferromagnesach w postaci słabego spontanicznego namagnesowania (w postaci słabego ferromagnetyzmu), czyli namagnesowanie jest tysięczne w porównaniu z magnesowaniem konwencjonalnych ferromagnesów… Przykłady takich substancji: hematyt, węglan manganu, węglan kobaltu.