Το καθιερωμένο μοντέλο του μαγνητισμού ανανεώνεται

Από σελίδα του PhysicsWeb 16-Νοεμβρίου-2000

Μια επιδιόρθωση της κλασσικής θεωρίας του μαγνητισμού, η οποία είχε υποστεί ρωγμές, σκοπεύει να δώσει στους φυσικούς μια πληρέστερη εικόνα της συμπεριφοράς των σιδηρομαγνητικών υλικών. Ο Ralph Chamberlin του Arizona State University, στις ΗΠΑ έχει συμπεριλάβει τα αποτελέσματα των τοπικών μαγνητικών διαταραχών, για να αντιμετωπίσει ένα μειονέκτημα του καθιερωμένου μοντέλου του μαγνητισμού. Το μειονέκτημα αυτό είναι η αποτυχία του να εξηγήσει επακριβώς τα χαρακτηριστικά των σιδηρομαγνητών σε ορισμένες θερμοκρασίες.

Το καθιερωμένο μοντέλο- αναπτύχθηκε από τον Pierre Weiss το 1907- αντιμετωπίζει τα παραμαγνητικά υλικά σαν συστήματα μη αλληλεπιδρώντων μαγνητικών διπόλων. Η θεωρία αυτή περιγράφει επιτυχώς την συμπεριφορά των παραμαγνητικών υλικών τα οποία μαγνητίζονται ελαφρά όταν τα βάλουμε μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, δεν μπορεί όμως να ερμηνεύσει εξίσου καλά την συμπεριφορά των σιδηρομαγνητών.
Οι σιδηρομαγνήτες εκδηλώνουν ισχυρή μαγνητική συμπεριφορά ακόμη και όταν δεν εφαρμόζουμε μαγνητικό πεδίο, αλλά ο μαγνητισμός τους εξαφανίζεται πάνω από μια κρίσιμη θερμοκρασία γνωστή ως θερμοκρασία Curie.

Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο η θερμοκρασία Curie έπρεπε να είναι αρκετά μικρότερη απ’ ότι είναι στην πραγματικότητα.
Πράγματι η αλληλεπίδραση μεταξύ συνηθισμένων ατομικών μαγνητικών διπόλων μας οδηγεί σε ενέργεια αλληλεπίδρασης της τάξης των 10^-16erg αν υποτεθεί ότι η απόστασή τους είναι της τάξης του ενός Angstrom.
Η πειραματική θερμοκρασία Curie από την άλλη μεριά είναι της τάξης εκατοντάδων βαθμών Kelvin και μας οδηγεί σε θερμική ενέργεια kT_c~ 10^-14erg. Η ενέργεια αυτή εκφράζει την απαραίτητη ενέργεια για να καταστραφεί η μαγνητική τάξη στους σιδηρομαγνήτες.
Η διαφορά αυτή μεταξύ της πρόβλεψης του καθιερωμένου μοντέλου και του πειράματος δείχνει ότι η μαγνητική διπολική αλληλεπίδραση δεν μπορεί παρά να είναι το πολύ μια διόρθωση στην κύρια αλληλεπίδραση.

Από εκεί ορμώμενος ο Weiss πρότεινε την ύπαρξη μιας ισχυρής αλληλεπίδρασης μεταξύ των διπόλων για να εξηγήσει τις διαφορές με τις πειραματικές θερμοκρασίες Curie. Αργότερα to 1929 ο Heisenberg πρότεινε ότι αυτές οι αλληλεπιδράσεις ήταν κβαντικές αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής μεταξύ των ατομικών spin.
Δηλαδή η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης είχε τη μορφή :

όπου S_p και S_p+1 είναι δύο γειτονικά spin και το άθροισμα πραγματοποιείται στα spin όλων των ατόμων.
Το συγκεκριμένο σημείο επιδιορθώθηκε, αλλά το μοντέλο δεν ήταν και πάλι σε θέση να προβλέψει ακριβώς τη συμπεριφορά των σιδηρομαγνητών γύρω από τη θερμοκρασία Curie και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.
Η απλότητα του καθιερωμένου μοντέλου το έχει κάνει δημοφιλές και έτσι ένα περαιτέρω φινίρισμα άξιζε τον κόπο. Ο Chamberlin αντιμετώπισε το σκοτεινό σημείο συμπεριλαμβάνοντας τα φαινόμενα της νανοθερμοδυναμικής. Πρόκειται για θερμοδυναμικά φαινόμενα που προκαλούν μαγνητικές διαταραχές σε μοριακή κλίμακα. “Παρακινήθηκα από τις ομοιότητες στη συμπεριφορά των γυαλιών και των μαγνητών” λέει ο ίδιος ο Chamberlin.
Η ιδέα μου ήρθε όταν παρατήρησα ότι ουσιαστικά ο ίδιος νόμος περιγράφει τις μεταβάσεις από υγρή σε υαλώδη φάση και από παραμαγνητική σε σιδηρομαγνητική φάση.
Το επιδιορθωμένο καθιερωμένο μοντέλο τώρα πια περιγράφει για πρώτη φορά ακριβώς τον σιδηρομαγνητισμό σε όλη την κλίμακα των θερμοκρασιών. Προηγούμενες απόπειρες να αναπτυχθούν ακριβέστερες θεωρίες είχαν περιορισμένη απήχηση διότι εστίαζαν μόνο σε στενές περιοχές θερμοκρασιών.