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Ferromagnetismus bei lokalisierten Elektronen (Para- und Ferromagneten)
Beim Ferromagnetismus mit lokalisierten Elektronen findet der Magnetismus in Materialien statt, bei denen die Elektronen fest an ihre Atomkerne gebunden sind. Diese Elektronen können ihre Positionen nicht frei zwischen verschiedenen Kernen wechseln, was charakteristisch für Isolatoren oder Halbleiter ist.
Die Erklärung für den Ferromagnetismus in solchen Materialien basiert hauptsächlich auf der Wechselwirkung zwischen den Spins der Elektronen, bekannt als die Austauschwechselwirkung. Nach dem Pauli-Prinzip können zwei Elektronen den gleichen räumlichen Zustand besetzen, solange sie unterschiedliche Spinorientierungen haben. In ferromagnetischen Materialien führt die Austauschenergie dazu, dass es energetisch günstiger ist, wenn die Spins benachbarter Elektronen parallel ausgerichtet sind.
Das Ergebnis dieser Austauschwechselwirkungen ist eine spontane Magnetisierung, bei der viele atomare Magnete (Spins) ohne äußeres Magnetfeld in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Die kritische Temperatur für diesen Zustand wird als Curie-Temperatur bezeichnet. Oberhalb dieser Temperatur verhalten sich die Materialien paramagnetisch, d.h., die Spins richten sich nur in einem äußeren Magnetfeld aus und verlieren ihre Ausrichtung, wenn das Feld entfernt wird.
Ferromagnetismus bei delokalisierten Elektronen (Band-Para- und Ferromagneten)
Im Gegensatz dazu steht der Ferromagnetismus bei delokalisierten Elektronen, der in Metallen mit einem teilweise gefüllten Energieband vorkommt. In diesen Materialien können sich die Elektronen frei zwischen den Atomkernen bewegen, was charakteristisch für metallische Leiter ist.
Die Erklärung für den Ferromagnetismus in solchen Materialien basiert auf der Energieverteilung der Elektronen in den Bändern. Wiederum ist die Austauschwechselwirkung zwischen den Elektronenspins von Bedeutung. In einem Metall mit delokalisierten Elektronen führt die Austauschwechselwirkung unter bestimmten Bedingungen dazu, dass es energetisch günstiger ist, wenn die Spins der Elektronen innerhalb eines Bands parallel ausgerichtet sind. Dies kann zu einer spontanen Magnetisierung führen, selbst ohne äußeres Magnetfeld.
Ein Modell, das diesen Effekt beschreibt, ist das Stoner-Modell. Nach diesem Modell kann Ferromagnetismus in einem Metall auftreten, wenn die Austauschenergie groß genug ist, um die Energiekosten der Parallelstellung der Spins zu überwinden. Das Stoner-Kriterium gibt an, wann dies der Fall ist. Wie bei lokalisierten Elektronen verschwindet der Ferromagnetismus bei Temperaturen über der Curie-Temperatur und das Material verhält sich paramagnetisch.
Zusammenfassend kommt der Ferromagnetismus bei lokalisierten Elektronen durch die Austauschwechselwirkung zwischen den fest gebundenen Elektronenspins zustande, während bei delokalisierten Elektronen die gleiche Wechselwirkung unter frei beweglichen Elektronen in einem Metall für die Magnetisierung verantwortlich ist. In beiden Fällen ist die parallele Ausrichtung der Spins die Ursache für den Ferromagnetismus, wobei die spezifischen Mechanismen und Modelle je nach Elektronenzustand (lokalisiert oder delokalisiert) variieren.
