До открытия магнитных доменов считалось, что магнитные свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков обусловлены упорядоченностью магнитных моментов атомов – главные вклады в которые дают спины атомарных электронов. Полагали, что у ферромагнетиков магнитные моменты атомов ориентированы сонаправленно, а для случая антиферромагнетиков говорили о двух атомных подрешётках, атомы которых имеют противоположные ориентации магнитных моментов.
Сегодня считается установленным, что магнитные свойства сильных магнетиков обусловлены магнитными моментами не отдельных атомов, а коллективов атомов, образующих домены: у ферромагнетиков магнитные моменты доменов ориентированы, преимущественно, в одном направлении, а у антиферромагнетиков они, практически, компенсируют друг друга. Сам факт наличия доменов в сильных магнетиках говорит о том, что в создании даже «элементарного» магнитного момента каким-то образом задействован некоторый коллектив атомов.
И, действительно, согласно нашей модели [7], «элементарные» магнитные моменты порождаются кольцевыми движениями электричества по цепочкам атомов. При этом с атома на атом передаются состояния, которые мы называем зарядовыми разбалансами [8], и которые, вкратце, представляют собой следующее. В отличие от случая свободных протонов и электронов, которые имеют свои электрические заряды постоянно, у протонов и электронов, связанных в атомах, бытиё электрических зарядов попеременно прерывается. Поэтому у атома, имеющего равные количества протонов и электронов, возможны состояния, при которых тот или иной заряд доминирует во времени. Последовательная передача такого состояния с атома на атом представляет собой перенос электричества без переноса вещества и, соответственно, без джоулевых потерь.
Такие токи зарядовых разбалансов возможны в веществах и соединениях, в которых не все химические связи являются стационарными – должны наличествовать циклически переключаемые химические связи. Эта динамичность структуры особенно характерна для металлов – атомы которых имеют минимальные количества валентных электронов, и поддержание трёхмерной кристаллической решётки здесь возможно лишь благодаря поочерёдным связям атомов со своими соседями [7]. Вопрос о частоте переключений направленных валентностей у атомов металлов обсуждался в статье [9]. При достаточно высокой упорядоченности переключений химических связей в образце, имеет смысл говорить о миграциях химических связей по образцу – а вместе с химическими связями мигрируют и зарядовые разбалансы, индуцированные при намагничивании.
Эта модель легко объясняет, почему сильными магнетиками являются, в основном, металлы, их сплавы, и их соединения с другими элементами. Также качественно объясняется то, почему и сами металлы ведут себя в магнитном отношении очень по-разному; в частности, даётся ответ на детский вопрос: «почему железо, кобальт, никель – магнитятся, а медь – нет». Этот вопрос подразумевает ситуацию при комнатной температуре, а ведь магнитные свойства зависят от температуры весьма критично. Ферромагнетик при нагревании до своей характеристической температуры, называемой точкой Кюри, теряет ферромагнитные свойства, и выше точки Кюри является слабым диа- или парамагнетиком. Аналогичные температурные точки имеются и у антиферромагнетиков: выше своих точек Нееля они являются слабыми магнетиками. Медь при комнатной температуре является одним из самых слабых парамагнетиков, но существует ряд соединений, в которые из металлов входит только медь, и которые при достаточно низких температурах являются антиферромагнетиками (см., например, [10,11]). Более того, известны антиферромагнитные соединения, в которые из металлов входят только «ферромагнетики» - либо железо, либо кобальт, либо никель (см. там же).
Принимая во внимание эти удивительные факты, заметим, что разнообразие магнитных свойств металлов отнюдь не свидетельствует против универсальности модели циклических валентных переключений, обеспечивающих миграции зарядовых разбалансов и соответствующую намагниченность. Если «железо магнитится, а медь – нет», то это не значит, что у атомов меди нет валентных переключений, и что в меди не может быть миграций зарядовых разбалансов. Самих по себе валентных переключений в атомах и результирующих миграций зарядовых разбалансов недостаточно для того, чтобы образец был сильным магнетиком – ещё требуется упорядоченность этих миграций, обеспечивающая стационарные (или квазистационарные) токи электричества. Отсюда проистекает наше объяснение того, почему магнитные свойства веществ критично зависят от температуры. Как мы излагали ранее [9], частота валентных переключений в атомах металлов увеличивается с ростом температуры. Для каждого конкретного образца, с его химическим составом и структурой, лишь при достаточно низких частотах валентных переключений возможны стационарные цепочки миграций химических связей – а, значит, и стационарные токи зарядовых разбалансов. Вот почему как ферромагнетики, при переходе через точку Кюри, так и антиферромагнетики, при переходе через точку Нееля, теряют свойства сильных магнетиков и становятся слабыми диа- или парамагнетиками.
По логике вышеизложенного, магнитный домен – это область образца, в пределах которой движения зарядовых разбалансов по цепочкам атомов локально упорядочены таким образом, что индивидуальные вклады от этих элементарных замкнутых токов, складываясь, усиливают друг друга, давая результирующий вектор намагниченности домена. Поскольку магнитные домены не проявляют признаков того, что в них доминирует электрический заряд того или иного знака, то следует сделать вывод: намагниченность домена обеспечивают токи как отрицательных, так и положительных зарядовых разбалансов – с равным долевым участием. А чтобы магнитные действия кольцевых движений отрицательных и положительных зарядовых разбалансов, складываясь, усиливали друг друга, зарядовые разбалансы противоположных знаков должны двигаться во встречных направлениях, как это схематически изображено на Рис.1 – для смежных доменов, имеющих противоположные
Рис.1
намагниченности (случай ферромагнетика). Такой подход совершенно естественно объясняет механизм перемагничивания образца, т.е. разрастания доменов с намагниченностью, соответствующей внешнему магнитному воздействию – за счёт уменьшения объёмов других доменов. Для происходящего при этом «движения междоменных стенок» совсем не требуется переформирование цепочек миграций зарядовых разбалансов. Требуется всего лишь изменение знаков зарядовых разбалансов, мигрирующих по тем же самым цепочкам – с сохранением суммы всех мигрирующих зарядов.
Нам могут заявить, что вышеизложенные представления о свойствах сильных магнетиков – это не более чем искусственная модель, которая ничуть не лучше модели, апеллирующей к спинам электронов. Отнюдь: известны экспериментальные результаты, которые позволяют нам сделать однозначный выбор между двумя названными моделями. Эти «решающие эксперименты» были проделаны при исследованиях магнитных свойств ультратонких плёнок.