Magnetisme geen optelsom van atomaire magneetjes

Een atoom is een klein magneetje. Met vele atomen kan men dus, als ze willen samenwerken, een sterke magneet maken. Bij ferromagnetische stoffen, zoals ijzer, nikkel en kobalt, komt die samenwerking al tot stand met behulp van een betrekkelijk zwak uitwendig magnetisch veld: vele atomaire magneetjes worden dan gericht. In zo'n magneet is het magnetisch moment van een atoom echter meestal kleiner dan dat van een 'vrij' atoom: de totale magnetische werking is meestal kleiner dan de som der delen. Onderzoekers van het Instituut voor Experimentele Fysica van de Polytechnische School in Lausanne hebben onderzocht waar de optelsom fout gaat.

De onderzoekers maten de ontwikkeling van het magnetisme in steeds groter wordende kluitjes of clusters metaalatomen. Deze metaalclusters werden gemaakt door het betreffende metaal (ijzer, nikkel of kobalt) te verdampen en een bundel van de zo gevormde atomen door expansie snel af te koelen. Er ontstaan dan clusters van enkele tientallen tot enkele honderden atomen. Met behulp van een massaspectrometer meet men de massa van de clusters (dus ook het aantal atomen) en met behulp van een magnetisch veld hun magnetisch moment. Deling geeft dan het magnetisch moment per atoom in die cluster.

Tot clusters van ongeveer 30 atomen is het totale magnetische moment nog ongeveer gelijk aan de som van dat van de individuele atomen. Bij het groter worden van de cluster wordt de bijdrage van ieder atoom echter kleiner. Die afname gaat bij clusters van nikkelatomen door tot ongeveer 150 atomen, bij kobalt tot ongeveer 450 atomen en bij ijzer tot ongeveer 550 atomen. Bij nog grotere aantallen verandert het magnetisch moment per atoom niet meer. Het is dan gelijk aan de waarde die in bulkvorm wordt gemeten. Heeft een individueel ijzeratoom een magnetisch moment van 3, in het bulkmateriaal bedraagt die waarde 2,2. Bij kobalt neemt de waarde af van 2 tot 1,7 en bij nikkel van 1 tot 0,6 (Science 265).

Deze afname van het magnetisch moment van een atoom in een steeds groter wordende cluster wordt door de onderzoekers verklaard met behulp van een schillenmodel, waarin het magnetische moment afhangt van de afstand van het atoom tot de rand van de cluster. Het magnetisch moment van een atoom wordt veroorzaakt door de tolbeweging (spin) van zijn elektronen. Wanneer atomen dicht op elkaar zitten, wordt deze beweging verstoord en neemt het magnetisch moment af. Aan het oppervlak van een cluster hebben de atomen het minste aantal 'buren', is de verstoring het kleinst en het magnetisch moment dus het grootst. Naar binnen toe wordt de invloed van omringende atomen groter en neemt het magnetisch moment dus af.