磁性のルーツとマグ材料の応用

磁気は長い間、人々を魅了してきた。

3,000年以上前、中国人は自然界に磁石を発見した。人々は豊かな想像力を駆使して、この現象を母親の愛情に例えた。

これは『芦春秋-季秋記』に収録されている：「親切な石は鉄を呼び、鉄は引き寄せられる。

中国古代の四大発明のひとつである羅針盤は、古代中国人がいかに磁気を利用していたかを示す一例である。

ご存知のように、磁性石は実際には鉄鉱石（通常は磁鉄鉱Fe3O4）である。また、鉄が磁石によって引き寄せられ、磁化されることも知っている。

しかし、なぜ磁気を帯びたり、磁化されたりするのだろうか？

磁気はどのようにして生まれるのか？

物質における磁性の巨視的な特性を説明するためには、原子から出発して磁性の起源を調べる必要がある。

1.磁気の起源

「構造が特性を決める」。もちろん、磁性も物質原子の内部構造によって決まる。

原子構造と磁性の関係をまとめると、次のようになる：

(1) 原子の磁気的性質は、電子のスピンと軌道運動に由来する。

(2) 原子の内部に未充填の電子が存在することは、物質が磁性を持つための必要条件である。

(3) 電子間の「交換相互作用」は、原子が磁性を持つ根本的な理由である。

1.電子の磁気モーメントの発生

原子磁性は磁性材料の基礎であり、原子磁性は電子の磁気モーメントに由来する。

電子の運動は電子磁気モーメントの源である。電子は原子核の周りの回転運動と固有のスピン運動の両方を持っている。

したがって、電子の磁気モーメントは、軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメントの2つの部分から構成される。

ボーアの原子軌道説によれば、原子内の電子は原子核の周りを一定の軌道を描いて動く。

軌道に沿った電子の運動は円電流に対応し、それに応じて軌道磁気モーメントが生じる。

原子の電子軌道磁気モーメントの平面はさまざまな方向をとることができるが、方向性磁場では、電子軌道の方向はいくつかの決まった方向にしかならない、つまり軌道の方向は量子化される。

磁性の起源は電子の電荷のスピンに由来し、これは電子スピン磁気モーメントとして知られている。

外部磁場の作用下では、スピン磁気モーメントは軌道磁気モーメントと平行か反平行にしかならない。

多くの磁性材料では、電子スピン磁気モーメントは電子軌道磁気モーメントよりも大きい。

結晶中では、電子の軌道磁気モーメントの方向が結晶格子磁場によって変更されるため、物質の外側に突出する複合磁気モーメントを形成することができず、一般に軌道角運動量と軌道磁気モーメントの「クエンチング」または「フリーズ」と呼ばれる現象が生じるからである。

したがって、多くの固体物質の磁性は、主として電子軌道磁気モーメントから生じるのではなく、むしろ電子スピン磁気モーメントから生じる。

もちろん、核スピン磁気モーメントも存在するが、一般的に電子スピン磁気モーメントよりはるかに小さい（3桁も小さい）ので、無視できる。

2.原子磁気モーメント

原子では、パウリの排他原理により、2つの電子が同じ状態にあることはありえない。

そのため、軌道が電子で埋め尽くされると、電子のスピン磁気モーメントは相殺される。

原子が外部に磁気モーメントを形成するには、未充填の電子軌道がなければならない。

もちろん、例からわかるように、これは必要条件でしかない。Cu、Cr、Vや多くのランタノイドのような金属は未充填の電子軌道を持っているが、磁性（特に強磁性）を示さない。

3.磁気の分類

電子の交換相互作用を論じる前に、まず物質磁性の巨視的な発現を見てみよう。

原子磁気モーメントの作用を重ね合わせることで巨視的なレベルで示される磁気特性の違いによって、磁性体は反磁性体、常磁性体、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体に分類される。

(1) 直磁性

ダイアマグネティズムとは、磁場がないとき、電子殻が完全に満たされた原子の磁気モーメントがゼロに等しいこと、あるいは一部の分子の全磁気モーメントがゼロであることを指し、巨視的な磁性を示さない。

しかし、磁場の作用下では、電子の軌道運動がさらなる運動を生み、その結果、外部磁場の方向とは反対の誘導磁気モーメントが生じるが、その値は非常に小さい。

この現象は反磁性と呼ばれる。

一般的な反磁性物質には、Na+、K+、Ca2+、F-、Clなどがある。

(2) 常磁性

常磁性とは、原子が完全に相殺されない磁気モーメントを持ち、したがって全磁気モーメントを持つという事実を指す。

しかし、原子の磁気モーメントの向きがカオス的であるため、外部効果が打ち消し合い、巨視的な磁性を示さない。

しかし外部磁場の作用下では、各原子の磁気モーメントは磁場の方向と一致することが多くなり、反対に一致することは少なくなる。実際、物質はこのように磁化されている。

実験によれば、常磁性体の磁化は温度が高いほど小さくなる。これは、熱運動が原子磁気モーメントの規則的な配向を破壊するためである。

温度が高ければ高いほど、原子の熱エネルギーが大きくなり、原子の磁気モーメントが外部磁場に揃いにくくなるため、磁化が小さくなる。

(3) 強磁性

強磁性とは、隣接する原子が相互作用によって外部磁場の方向に整然と並ぶ現象を指す。

一般に、強磁性材料は弱い磁場でも高い磁化を得ることができ、外部磁場を取り除いた後も強い磁性を保つことができる。

なぜ強磁性体は弱い磁場でも飽和まで磁化されるのか？

これは、外部磁場が作用しなくても、これらの物質の内部原子磁気モーメントがすでにある一定の方向にある程度揃っているためで、一般に自発磁化と呼ばれる。

この自発磁化は小さな領域に分割され、各領域内では原子の磁気モーメントは互いに平行である。これらの小さな領域は磁区と呼ばれる。

材料内部のさまざまな磁区の自発磁化の向きは互いに異なっており、外部からの影響を打ち消し合うため、材料全体が巨視的な磁性を示すことはない。

言い換えれば、強磁性材料は、不規則に配置された小さな「磁石」で構成されており、統計的規則性のもとでは外部に磁性を示さない。

しかし、外力（外部磁場）によってそれぞれの「小さな磁石」の極性が同じ方向に整えられると、外部から強い磁性を示すようになる。

強磁性体内部の磁区が自発的に磁化することが、強磁性の重要な理由である。

このことは、「電子殻が未充填の原子」が物質磁性の必要条件でしかない理由を説明している。

厳密な意味では、我々が通常磁性と呼んでいるものは、実際には強磁性であるはずだ。

したがって、MnやCrなどの元素は、原子磁気モーメントも持っているが、内部では磁気（強磁性）を持っていない。

(4) 反強磁性

反強磁性とは、磁場の作用により、同じスピンを持つ隣接する原子やイオンが互いに反対方向に配列することで、磁気モーメントが打ち消し合い、常磁性物質と同様に磁性を示さなくなる現象を指す。

(5) フェリ磁性

フェリ磁性は本質的に反強磁性であり、2つの副格子上の逆磁気モーメントが完全には相殺されない。

強い磁性を示すという点では強磁性に似ているが、磁性が2つの逆向きの不等磁気モーメントの差に由来するという点では強磁性とは異なる。

現在、研究されているフェライト（鉄と1種類以上の金属からなる複合酸化物）の多くはフェリ磁性材料に属する。

フェリ磁性と反強磁性は密接な関係にある。既知の反強磁性構造から出発して、元素置換によって元の磁気構造を維持しながら、磁気モーメントが不等間隔の2つの副格子を持つフェリ磁性材料に再構成することができる。

強磁性材料とフェリ磁性材料を総称して強磁性材料と呼び、磁性材料開発の主な方向性を示している。

4.交換

相互作用 次に、電子の交換相互作用が電子のスピン磁気モーメントにどのような影響を与え、その結果、物質の巨視的な磁性にどのような影響を与えるかを見てみよう。

原子間の交換相互作用とは、一般に、隣接する原子の電子の位置の相互交換によって引き起こされる静電相互作用を指す。

具体的には、2つの原子が接近している場合、電子は区別できないので、電子1が原子核1の周りを、電子2が原子核2の周りを動いていると考えることに加えて、電子1が原子核2の周りを、電子2が原子核1の周りを動いているように見えるように、2つの電子の位置が交換される可能性も考えなければならない。

例えば水素原子では、このような電子交換が1秒間に約1018回の頻度で起こる。この交換相互作用によるエネルギー変化は交換エネルギーと呼ばれ、Eexと表記される。

一般に、原子の結合エネルギーは次のように表すことができる：

E=E0+E '=E₀+(C+A)

ここでE₀ は各原子の基底状態における全エネルギーである；

Cは、原子核と電子の間の静的な電気クーロン相互作用から生じるエネルギー増分である；

Aは、電子の交換によって生じるエネルギーの増加分であり、一般に交換エネルギー定数と呼ばれる。

Aは隣接する原子の部分的に満たされた電子殻の近接度合いに依存し、交換相互作用の大きさを測るエネルギーである。

水素分子中の2つの電子の交換相互作用によって引き起こされるエネルギー変化（すなわち交換エネルギーEex）は、近似的に以下のように表せることが実験的に示されている：

E_元 =ΔE=-2AS_aS_bcosφ

ここでS_a とS_b φは2つの電子のスピン磁気モーメントの方向がなす角度で、0°から180°の範囲で変化する。

上記の式は、電子が1個しかない水素原子間の交換相互作用から得られたものであるが、多電子原子の交換相互作用の定性的解析には一般的な意義がある。さらに解析を進めると次のことがわかる：

(1) A>0のとき、φ=180°ならcosφ=-1となり、2つの電子のスピン磁気モーメントの向きが逆、すなわち電子のスピン磁気モーメントが反平行に配置されていることを示し、E_元(180)=+2AS_aS_bφ=0°の場合は、2つの電子のスピン磁気モーメントの方向が同じであり、電子のスピン磁気モーメントが平行に配置されていることを示す。_元(0)=-2AS_aS_b.

さらに、0°<φ<180°の場合、2つの電子のスピン方向は同じでも反対でもなく、むしろ角度φだけ離れており、その交換エネルギーE_元 の間にある。_元(0°)<E_元<E_元(180°).エネルギー最小化が最も安定した状態であるという基本法則によれば、系のエネルギーが最小化されるのはφ＝0°のときだけであり、このとき系は最も安定した状態にあることがわかる。

隣接する2つの電子のスピン磁気モーメントの向きが同じであれば、電子のスピン磁気モーメントは必然的に平行に配置され、自発磁化が生じ、物質中に強磁性が存在することになる。

(2)A＜0のとき、φ＝180°のときだけ系全体のエネルギーが最小になる、つまり電子スピンの向きが反平行に配置され、反強磁性になる。

(3)|A|が非常に小さいとき、これらの隣接する2つの原子間の交換相互作用は弱く、交換エネルギーE_元 は非常に小さい。φが90o付近の場合、エネルギーが低いので磁気モーメントの方向がカオスになり、常磁性になる。

つまり、隣り合う原子の未充填の電子殻が互いに接近している度合いである。

したがって、物質の磁性は、原子中の電子の分布と物質の結晶構造によって決まる。

磁性の特性により、磁性材料はハイテク産業の発展にとって極めて重要であり、科学技術の進歩にとって重要な柱となっている。また、現代技術において非常に活発な研究分野でもある。

今日の情報化社会における磁性材料の重要な役割を考えると、その国の技術開発水準は磁性材料に反映され、この種の材料の需要はその国の経済水準や平均生活水準を測るのに利用できる。

次に、日常生活でよく使われる磁性材料について簡単に説明する。

2.一般的な磁性材料の用途

磁性材料」とは、主に強磁性材料とフェリ磁性材料を指す。

磁気分布の違いから、硬質（永久）磁性材料、半硬質磁性材料、軟質磁性材料に分けられる。

(1) ソフト・マグネティック

材料 軟磁性材料とは、交流電流によって容易に磁化・消磁される材料を指し、通常はフェリ磁性を持つ。

彼らには特別な性質がある：

 (1)外部磁場磁化によって、高い最大磁気誘導強度を持つことができる；

 (2) ある強さの外部磁場による磁化のもとでは、軟磁性材料自体がより高い磁気誘導強度を持つことができる；

 (3) 軟磁性材料では磁区の移動に対する抵抗が小さい。

このような特性から、軟磁性材料は通信、放送、テレビ、計測器、現代の電子技術に広く使われている。発電機や配電変圧器のコアとしても一般的に使用されている。

こうした分野では、外部磁場の変化に対して高い感度を持つ磁性材料が求められる。

材料が磁化しにくかったり、磁化後に磁気特性が放出されにくかったりすると、これらの用途の要件を満たすことができません。ソフトフェリ磁性材料はこのような用途に最適です。

したがって、ソフトフェリ磁性材料は、最も早く開発され、最も多様で、最も収率が高く、最も広く使用されている磁性材料のひとつである。

(2) 硬質磁性材料

永久磁石としても知られる硬質磁性材料は、磁化された後も強力な磁化を維持することができ、電気エネルギーを消費することなく、一定の磁場を特定の空間に長時間供給することができる。

通常は強磁性材料である。硬質磁性材料は、電気モーター、発電機、スピーカー、ベアリング、ファスナー、伝動装置などに広く使われている。

硬質磁性材料の永久磁性は、まさにこれらの分野で必要とされるものである。

例えば、電気モーターや発電機を作動させるには、一定の磁場を持つ磁性体が必要であり、永久磁石は磁性を維持するために電気エネルギーを消費しないので理想的である。

しかし、硬質磁性材料は可変性が低いため、安定性が高い反面、使用範囲が限定される。

(3) 準硬質磁性材料

半硬質磁性材料は、軟質磁性材料と硬質磁性材料の中間の性質を持つ。

ある値より小さな外部磁場下では安定した残留磁気誘導強度を持つ（硬質磁性材料と同様）一方で、ある閾値より大きな逆磁場下では磁化方向が変化する傾向を持つ（軟質磁性材料と同様）という特徴がある。

そのため、半硬質磁性材料は動的材料として使用され、インテリジェント化が進む社会では、動的材料への需要が高まっており、半硬質磁性材料は有望な開発分野となっている。

用途としては、リレー、半固定記憶装置、警報装置などがある。

磁気記録媒体は半硬質磁性材料の重要な一種であり、ハードディスク、磁気テープ、クレジットカードなどの情報記憶装置に広く使用されている。

セミハード磁性材料は、そのダイナミックな特性により、これらの用途で重要な役割を果たしている。

ハードディスクドライブを例にとると、ディスク部分には主に半硬質磁性材料が使われている。

ディスクが回転するとき、ヘッドが1つの位置にとどまっていれば、各ヘッドはディスクの表面に円形のトラックを作る。

これらの円形のトラックはトラックと呼ばれ、基本的にはギャップのある磁気回路である。

筆記中、コンピューターは情報を電流に変換し、ヘッド周りのコイルに送る。

コイルの電流がヘッドを磁化し、磁化されたヘッドから発生する磁場がトラック上の媒体を磁化する。

電流の大きさが異なるため、ヘッドの磁場が変化し、その結果、磁気媒体の磁化が変化し、異なるデータが記録される。

 ヘッドとディスクが動くと、大量の情報がディスクに記録される。

読み出しプロセスは書き込みプロセスとは逆方向に実行され、磁気媒体の磁界を利用してヘッドに磁束の変化を生じさせ、コイルに変化する電流を発生させる。

磁性材料は私たちの日常生活において重要な役割を果たしており、その重要性は自明である。磁性に対する理解が深まり、磁性材料技術が進歩すれば、私たちの生活の中で磁性材料がさらに広く応用されるようになると信じています。

上記の分析は比較的一般的で単純なものである。

より深い原理を理解し、磁性材料の磁気特性をどのようにコントロールすれば私たちが使用できるかを理解することは、私たちが将来も進歩し続けるために必要な方向性である。