Ферромагнетизм, одно из магнитных состояний кристаллических, как правило, веществ, характеризуемое параллельной ориентацией магнитных моментов атомных носителей магнетизма. Параллельная ориентация магнитных моментов (рис. 1) устанавливается при температурах Т ниже критической Q (см. Кюри точка) и обусловлена положительным значением энергии межэлектронного обменного взаимодействия. Ферромагнитная упорядоченность магнитных моментов в кристаллах (атомная магнитная структура – коллинеарная или неколлинеарная) непосредственно наблюдается и исследуется методами магнитной нейтронографии. Вещества, в которых установился ферромагнитный порядок атомных магнитных моментов, называют ферромагнетиками. Магнитная восприимчивость (ферромагнетиков положительна (c > 0) и достигает значений 10⁴–10⁵ гс/э, их намагниченность J (или индукция В = Н + 4pJ) растет с увеличением напряжённости магнитного поля Н нелинейно (рис. 2) и в полях 1–100 э достигает предельного значения Js – магнитного насыщения. Значение J зависит также от «магнитной предыстории» образца, это делает зависимость J от Н неоднозначной (наблюдается магнитный гистерезис).

В результате резонансного взаимодействия фонон может превратиться в магнон. Так как скорость звука  с_зв=10⁵ см/с, то это радикально меняет ситуацию. Будем для простоты считать, что ε₀=2μH (например, энергия анизотропии аномально мала) и будем искать то значение магнитного поля, при котором возможно резонансное взаимодействие (резонансное поле):

, (1)

Правая часть как функция ћω имеет максимум при ћω-mc_зв и обращается в нуль при ћω=2m*c_зв (рис. 3).

 

Ясно (особенно отчётливо из рисунка), что резонанс возможен, если 2μH<m*c_зв/2   (m*c_зв/2 – значение правой части (1) в максимуме) при ћω<2m*c_зв. Если частота звука и магнитное поле таковы, что резонансное поле существенно зависит от второго слагаемого в (1), то, пользуясь условием резонанса, можно измерить эффективную массу магнона m* («услышать» движущийся магнон).

Т.о. резонансное поглощение звуковой энергии магнетиком (ферроакустический резонанс) есть не что иное, как превращение фонона в магнон.

 

Вблизи Т = 0 К отклонения от магнитного порядка малы и не локализуются в определённых участках, а в виде волн распространяются по кристаллу. Это – спиновые волны; соответствующие им квазичастицы – магноны проявляют себя в тепловых и магнитных свойствах. Так, тепловое возбуждение спиновых волн увеличивает теплоёмкость магнетиков (по сравнению с немагнитными телами) и приводит к характерной зависимости теплоёмкости от температуры (например, при  у ферромагнитных диэлектриков ); резонансное поглощение электромагнитной или звуковой энергии магнетиком (ферромагнитный резонанс, ферроакустический резонанс) есть не что иное, как превращение фотона или фонона в магнон; температурная зависимость намагниченности ферромагнетиков и магнитной восприимчивости антиферромагнетиков при Т   T_c – результат «вымерзания» спиновых волн с понижением температуры.

́Магнон — квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов. В кристаллах с несколькими магнитными подрешётками (например, антиферромагнетиках) могут существовать несколько сортов магнонов, имеющих различные энергетические спектры. Магноны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Магноны взаимодействуют друг с другом и с другими квазичастицами. Существование магнонов подтверждается экспериментами по рассеянию нейтронов, электронов и света, сопровождающемуся рождением или уничтожением магнона.

Концепция магнона была введена в 1930 г. Феликсом Блохом (Felix Bloch) для количественного объяснения феномена уменьшения спонтанной магнетизации в ферромагнетиках. При температуре абсолютного нуля ферромагнетик достигает состояния наименьшей энергии, в котором атомные спины (а так же и магнитные моменты) выстраиваются в одном направлении. По мере повышения температуры спины начинают отклоняться от общего направления, тем самым увеличивая внутреннюю энергию и уменьшая полную намагниченность. Если представить идеально намагниченный ферромагнетик как вакуумное состояние, то состояние при низких температурах, в котором идеальный порядок нарушен небольшим количеством перевёрнутых спинов, можно представить как газ из квазичастиц — магнонов. Каждый магнон уменьшает количество правильно выстроенных спинов на h и полный магнитный момент вдоль оси квантования — на gh, где g — это гиромагнитное отношение.

Квантовая теория спиновых волн (магнонов) была разработана Тэдом Хольстеном, Генри Примаковым (1940) и Фрименом Дайсоном (1956). Используя модель вторичного квантования, они показали, что магноны ведут себя как слабо взаимодействующие квазичастицы, подчиняющиеся законам Бозе — Эйнштейна.

Непосредственное доказательство существования магнонов было найдено в 1957 Бертрамом Брокхаузом, который продемонстрировал неупругое рассеивание нейтронов на магнонах в ферритах. Существование магнонов было продемонстрировано в ферромагнетиках, ферримагнетиках и антиферромагнетиках.

Эксперименты с антиферромагнетиками в сильных магнитных полях продемонстрировали, что магноны действительно подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна: в нескольких таких материалах наблюдалась конденсации Бозе — Эйнштейна магнонов.

Ферромагнетики— вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах).

Ферромагнетики сильно втягиваются в область более сильного магнитного поля. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.

Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Со в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, ионные соединения типа La_1-x Ca_xMnO₅(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu₂SiO₄, EuS, EuSe, EuI₂, CrB₃ и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB₃ значение Q ~ 100 К.