鐵磁轉變溫度

物質的磁性現象存在一個臨界溫度，在此溫度之上，鐵磁性會消失而變成順磁性，在此溫度之下鐵磁性才會保持。 對於鐵磁性和亞鐵磁性物質，此溫度被稱為居里溫度（雖然都稱為居里溫度，但二者是有差別的）；對於反鐵磁性物質，此溫度被稱為奈爾溫度。鐵磁轉變溫度包括居里溫度和奈爾溫度。

基本介紹

• 中文名：鐵磁轉變溫度
• 領域：自旋電子學

鐵磁性

鐵磁性（Ferromagnetism）指的是一種材料的磁性狀態，具有自發性的磁化現象。各材料中以鐵最廣為人知，故名之。

某些材料在外部磁場的作用下得而磁化後，即使外部磁場消失，依然能保持其磁化的狀態而具有磁性，即所謂自發性的磁化現象。 所有的永久磁鐵均具有鐵磁性或亞鐵磁性。

基本上鐵磁性這個概念包括任何在沒有外部磁場時顯示磁性的物質。至今依然有人這樣使用這個概念。但是通過對不同顯示磁性物質及其磁性的更深刻認識，學者們對這個概念做了更精確的定義。 一個物質的晶胞中所有的磁性離子均指向它的磁性方向時才被稱為是鐵磁性的。 若其不同磁性離子所指的方向相反，其效果能夠相互抵消則被稱為反鐵磁性。 若不同磁性離子所指的方向相反，但是有強弱之分，其產生的效果不能全部抵消，則稱為亞鐵磁性。

物質的磁性現象存在一個臨界溫度，在此溫度之上，鐵磁性會消失而變成順磁性，在此溫度之下鐵磁性才會保持。 對於鐵磁性和亞鐵磁性物質，此溫度被稱為居里溫度（雖然都稱為居里溫度，但二者是有差別的）；對於反鐵磁性物質，此溫度被稱為奈爾溫度。

有人認為磁鐵與鐵磁性物質之間的吸引作用是人類最早對磁性的認識。

原理

鐵磁性的原理可由兩個量子力學描述的現象成功的預測：自旋和泡利不相容原理。

電子的自旋加上其軌道角動量導致一個偶極子磁矩和形成一個磁場。在大多數物質中所有電子的總偶極磁矩為零。只有電子層不滿的原子（電子不成對）可能在沒有外部磁場的情況下表現一個淨磁矩。鐵磁性物質有許多這樣的電子。假如它們排列在一起的話它們可以一起產生一個可觀測得到的巨觀場。

這些偶極趨於指向外部磁場的方向。這個現象被稱為順磁性。鐵磁性物質的偶極趨於在沒有外部磁場的情況下也指向同一方向。這是一個量子力學現象。

按照經典電磁學，兩個臨近的磁偶極趨於指向相反的方向，因此，它們的磁場會互相抗拒，互相抵銷。但是，由於單獨自旋產生的磁場很小，這效應很微弱，形成的排列很容易就會被熱漲落（thermal fluctuation）摧毀。在有些物質里，由於一種稱為交換相互作用（exchange interaction）的特別量子力學效應，自旋與自旋彼此之間方向的改變，會導致臨近電子靜電排斥力的改變。在近距離，交換相互作用會比偶極-偶極磁相互作用強勁很多。因此，對於鐵磁性物質，臨近電子的自旋趨於指向同樣的方向。

根據泡利不相容原理，兩個自旋相同的電子不能占有同樣的位置。因此，兩個臨近原子的位於最外電子層的不成對價電子，當它們的軌域相互重疊時，假若自旋方向相同（平行自旋），則電荷分布會比較分散，否則，電荷分布會比較集中。所以，促使自旋方向相同這動作會降低電勢能，使得平行自旋態更為穩定。簡言之，因庫倫力而互相排斥的電子，借著平行自旋使得電荷分布更加分散，從而降低電勢能。這能量差稱為交換能（exchange energy）。

在長距離上（數千離子）交換能的作用逐漸被經典偶極相對排列的趨勢掩蓋，這是在平衡（沒有磁性的）情況下鐵磁性物質的偶極總的來說不排列起來的原因。在沒有磁性的鐵磁性物質中其磁偶極被分割在外斯疇中。每個外斯疇內部短距離地磁偶極排列指向同一方向，但是在長距離上不同外斯疇的磁偶極的排列不一致。不同外斯疇之間的邊界被稱為疇壁，疇壁內原子之間的指向逐漸更改。

因此一塊鐵一般沒有磁性，或者其磁性非常弱。但是在一個足夠強的外部磁場中，所有外斯疇會沿著這個磁場排列，在外部磁場消失後這些外斯疇會繼續保存其同一的指向。這個磁場與外部磁場之間的關係由一條磁滯曲線描寫。雖然這個排列整齊的外斯疇的能量不是最低的，但是它非常穩定。在海底的磁鐵礦會上百萬年地指向它形成時的地磁場方向。通過加熱再在沒有外部磁場的情況下冷卻磁鐵的磁場會消失。

溫度升高后熱振盪（或熵）與鐵磁性的偶極排列競爭。溫度高於居里點後晶體內發生二級相變，整個系統無法磁化，在有外部磁場的情況下這時鐵磁性物質顯示順磁性。在居里點下對稱破缺，外斯疇形成。居里點本身是一個閾值，理論上這裡的磁化率為無窮大，雖然這裡沒有磁化，但是在任何長度範圍內均有類似外斯疇的自旋波動。

尤其是使用簡化了的伊辛自旋模型來研究鐵磁性相變對統計物理學的發展起了巨大作用。在這裡平均場理論明顯地無法正確地預言居里點上的現象，需要被重整化群理論取代。

居里點

居里點（Curie point）又作居里溫度（Curie temperature，Tc）或磁性轉變點。是指磁性材料中自發磁化強度降到零時的溫度，是鐵磁性或亞鐵磁性物質轉變成順磁性物質的臨界點。低於居里點溫度時該物質成為鐵磁體，此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高於居里點時，該物質成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度約為10。居里點由物質的化學成分和晶體結構決定。

奈爾溫度

奈爾溫度（Néel temperature），T_N，指的是反鐵磁性材料轉變為順磁性材料所需要達到的溫度。在這個溫度的時候，晶體內部的原子內能會大到足以破壞材料內部巨觀磁性排列，從而發生相變，由反鐵磁性轉變為順磁性。

奈爾溫度可類比於居里溫度T_C（相對於鐵磁性而言）。它是因紀念1970年諾貝爾物理學獎得主、法國物理學者路易·奈爾（1904年-2000年）而得名。

物質	奈爾溫度 (K)
MnO	116
MnS	160
MnTe	307
MnF2	67
FeF2	79
FeCl2	24
FeI2	9
FeO	198
FeOCl	80
CoCl2	25
CoI2	12
CoO	291
NiCl2	50
NiI2	75
NiO	525
Cr	308
Cr2O3	307
Nd5Ge3	50