Le spin atomique

Des champs magnétiques sont toujours créés par le mouvement de charges. Les propriétés magnétiques de la matière, à savoir le ferromagnétisme, le paramaggnétisme et le diamagnétisme, sont également déterminées par les états de mouvement des particules élémentaires chargées dans les atomes du matériau. Il en résulte des effets magnétiques qui se comportent comme de petits aimants élémentaires, ou, dans le langage technique de la physique, comme des moments magnétiques, à l'endroit des différents atomes.

Contributions au spin atomique : spin des électrons, moment orbital et spin nucléaire

La principale contribution au moment magnétique des atomes provient du spin de l'électron. Contrairement au mouvement orbital des électrons autour du noyau de l'atome (appelé moment orbital), le spin électronique est une propriété des électrons eux-mêmes, que l'on peut en quelque sorte s'imaginer comme la rotation d'une boule chargée autour de son propre axe, même si la physique peut montrer que cette idée n'est pas tout à fait correcte.

Le spin des électrons n'est toutefois pas le seul aimant élémentaire. Le moment cinétique orbital, c'est-à-dire le mouvement des électrons autour du noyau atomique, contribue également au moment magnétique total des atomes. La contribution la plus importante dépend fortement du type du matériau magnétique. Pour les matériaux ferromagnétiques courants (fer, cobalt, nickel), c'est le spin des électrons qui domine.
Il existe cependant de nombreux composés et alliages (par exemple le samarium-cobalt) qui possèdent également un moment magnétique orbital des électrons autour du noyau, qui contribue fortement au magnétisme. Il existe également le spin nucléaire, qui est toutefois environ 1000 fois plus faible que le spin des électrons. Les noyaux atomiques peuvent avoir des spins très différents, car leur spin total se compose des spins de tous les protons et neutrons du noyau atomique. Les spins des protons et des neutrons sont à leur tour formés par le spin des quarks, qui sont les particules élémentaires formant le noyau atomique.

Par spin atomique, on entend ici le moment magnétique total des atomes qui détermine les propriétés magnétiques du matériau. Il peut être calculé par une addition vectorielle des différentes contributions (spin électronique, spin nucléaire, moment orbital) (voir illustration).

Dans les matériaux ferromagnétiques, une stabilisation supplémentaire des spins électroniques alignés se produit grâce à ce que l'on appelle l'interaction d'échange. De ce fait, la contribution du spin électronique à la magnétisation est très importante et les matériaux ferromagnétiques sont très facilement magnétisables. Ils renforcent les forces magnétiques dans les champs magnétiques d'un facteur appelé "perméabilité magnétique" μ qui peut aller jusqu'à μ=150 000.