Ogni materiale risponde, almeno in qualche misura, a un campo magnetico. Eppure una vite di ferro viene attratta in modo evidente, mentre un pezzo di legno o di vetro sembra non reagire affatto. Per capire perché alcuni materiali sono magnetici nel senso comune del termine, non basta guardare ai singoli atomi: bisogna seguire il passaggio dai momenti magnetici degli elettroni al loro allineamento collettivo, fino all’organizzazione del materiale in domini.
Perché alcuni materiali sono magnetici: il primo livello è elettronico
L’origine microscopica va cercata negli elettroni. Ciascuno possiede un momento magnetico intrinseco associato allo spin, al quale si aggiunge il contributo dovuto al moto orbitale. Lo spin è una proprietà quantistica: non va immaginato come la rotazione di una minuscola sfera, anche se il termine può suggerirlo. La sua proiezione può assumere i valori +½ o −½.
La configurazione elettronica determina se questi contributi restano visibili oppure si annullano. Negli orbitali completamente occupati, gli elettroni sono appaiati e i loro momenti opposti si compensano. Quando sono presenti elettroni spaiati, invece, può rimanere un momento magnetico complessivo diverso da zero. L’atomo dispone allora di un dipolo magnetico che può interagire con un campo esterno e con i momenti degli atomi vicini.
Questo chiarisce l’origine del magnetismo atomico, ma non spiega ancora perché un pezzo di ferro possa comportarsi da calamita. Un insieme di momenti non allineati può produrre una risposta molto debole o nulla sulla scala dell’oggetto. La questione decisiva è dunque se il materiale permetta a quei momenti di organizzarsi.
Gli elettroni spaiati non bastano
La presenza di elettroni spaiati è una condizione importante, non una prova di ferromagnetismo. Per ottenere un allineamento stabile occorrono anche una struttura elettronica e una struttura cristallina favorevoli. In particolari materiali interviene infatti l’interazione di scambio, un effetto quantistico che può rendere energeticamente favorevole la disposizione parallela degli spin di atomi vicini.
Quando questo accoppiamento si propaga attraverso il reticolo cristallino, nasce un ordine magnetico a lungo raggio. È qui che ferro, cobalto, nichel e magnetite si distinguono da molte sostanze che possiedono momenti atomici, ma non riescono a coordinarli in modo persistente. Composizione e geometria cristallina non sono quindi dettagli secondari: stabiliscono se i momenti magnetici possano cooperare.
Il caso che complica la distinzione è il paramagnetismo. Un materiale paramagnetico può contenere momenti magnetici non compensati e orientarsi debolmente nella direzione di un campo applicato; quando il campo viene rimosso, però, l’allineamento non rimane stabile. Il diamagnetismo consiste invece in una risposta debole diretta in senso opposto al campo. Chiamare un materiale semplicemente magnetico nasconde dunque fenomeni diversi: il ferromagnetismo non è soltanto un’attrazione più intensa, ma una forma di ordine collettivo capace, in certe condizioni, di conservarne memoria.
Dall’allineamento locale ai domini magnetici
Anche in un ferromagnete gli spin non devono essere orientati nello stesso verso in tutto il campione. Il materiale è organizzato in regioni microscopiche chiamate domini di Weiss. All’interno di ciascun dominio la magnetizzazione ha una direzione uniforme; domini differenti possono però essere orientati in versi diversi.
Questa struttura spiega perché un pezzo di ferro non magnetizzato non si comporti necessariamente come una calamita, pur essendo ferromagnetico. I singoli domini possiedono già un ordine interno, ma i loro contributi possono compensarsi sulla scala dell’intero oggetto. Il disordine macroscopico non coincide quindi con l’assenza di ordine microscopico.
Applicando un campo esterno, vengono favoriti i domini orientati nella sua direzione. La magnetizzazione complessiva cresce perché una parte sempre maggiore del materiale contribuisce nello stesso verso. Il campo non crea dal nulla i momenti elettronici: modifica l’equilibrio fra orientamenti che erano già possibili nella struttura del ferromagnete.
Dopo la rimozione del campo, una parte dell’allineamento può persistere. Si parla allora di magnetizzazione residua. Il fatto che la risposta dipenda anche dai campi applicati in precedenza è descritto dall’isteresi magnetica. Non tutti i ferromagneti mantengono la stessa magnetizzazione, né lo fanno con la stessa facilità: la permanenza dipende dal modo in cui la struttura del materiale ostacola o favorisce il riassetto dei domini.
La temperatura può distruggere l’ordine
L’allineamento collettivo deve competere anche con l’agitazione termica. Aumentando la temperatura, le fluttuazioni rendono più difficile mantenere l’ordine degli spin. Ogni ferromagnete possiede una temperatura di Curie oltre la quale il ferromagnetismo scompare e il materiale diventa paramagnetico.
I valori dipendono dalla sostanza. Quelli indicati per ferro, cobalto e nichel sono rispettivamente circa 770 °C, 1127 °C e 354 °C. Superata la soglia, gli atomi non perdono per questo lo spin o ogni momento magnetico; viene meno l’organizzazione stabile che permetteva ai loro contributi di sommarsi su larga scala. Raffreddare il materiale sotto la temperatura di Curie rende nuovamente possibile l’ordine ferromagnetico, ma non garantisce da solo che tutti i domini assumano una direzione comune.
Una proprietà del materiale, non dell’atomo isolato
Il comportamento osservabile nasce dunque da più condizioni concatenate. Devono esistere momenti elettronici non completamente compensati; l’interazione di scambio e il reticolo cristallino devono favorirne l’accoppiamento; i domini devono infine assumere un orientamento complessivo sufficiente a produrre una magnetizzazione macroscopica. Campo esterno e temperatura possono modificare o interrompere questa organizzazione.
Perciò un atomo dotato di momento magnetico non equivale a una minuscola calamita capace, da sola, di spiegare il comportamento del campione. Il magnetismo evidente emerge quando molti momenti riescono ad agire in modo coordinato. È questa cooperazione, sostenuta dalla struttura del materiale e organizzata nei domini, a trasformare una proprietà quantistica degli elettroni in una forza percepibile sulla scala degli oggetti.