Magnetismus

Zusammenfassung

In unseren bisherigen Überlegungen zur Elektronenstruktur der Materie waren wir von einer Einelektronennäherung ausgegangen: Energieterme und Bandstruktur wurden berechnet für ein Elektron in einem effektiven Potential, gebildet aus dem Potential der Ionenrümpfe und einem mittleren Potential der übrigen Elektronen. In diesem Modell lassen sich durchaus akzeptable Bandstrukturen berechnen. Wichtiger aber als eine qualitative Übereinstimmung mit dem Experiment und eine im Prinzip wenigstens einfache Rechenmethode ist ein anderer Aspekt des Einelektronenmodells. Im Einelektronenmodell lassen sich nämlich Anregungszustände des Elektronensystems, ausgelöst durch Wechselwirkung mit Photonen und anderen Teilchen, oder die thermische Anregung konzeptionell einfach verstehen. So wie das Termschema des H-Atoms das Modell für die Beschreibung der Elektronenterme aller Elemente bildet, ist das Einelektronenbild das Basismodell für das Verständnis des Festkörpers. Ferner gibt es Phänomene kollektiven Verhaltens der Elektronen, die ebenfalls einfacher Beschreibung zugänglich sind, wie zum Beispiel die Thomas-Fermi-Abschirmung (Abschn. 6.5) oder die Anregung von Ladungsdichtewellen (Abschn. 11.9). Bei magnetischen Erscheinungen im Festkörper, insbesondere beim Ferro- oder Antiferromagnetismus, mischen sich dagegen Einelektronen- und Vielelektronenaspekte in einer Weise, die es schwierig macht, einfache Grundmodelle herauszupräparieren. So werden wir zum Beispiel Anregungszustände kennen lernen, bei denen nur ein Elektronenspin umgeklappt wird und doch alle Valenz-Elektronen an diesem Anregungszustand beteiligt sind (Spinwellen). Darüber hinaus hat die Elektronentheorie des Magnetismus kollektive und lokale Aspekte, was ebenfalls das Verständnis erschwert. Ein Schwerpunkt dieses Kapitels ist der Ferromagnetismus der 3d-Metalle Ni, Co und Fe, der durch Austauschwechselwirkung zwischen den weitgehend delokalisierten 3d-Elektronen entsteht. Für die meisten magnetischen Verbindungen und insbesondere auch die 4f-Übergangsmetalle und ihre Verbindungen ist eine lokale Beschreibung angebracht. Auch der Antiferromagnetismus und die Spinwellen ergeben sich verhältnismäßig einfach aus der Austauschwechselwirkung zwischen lokalisierten Elektronen.