Collective electron ferromagnetism in metals and alloys

Résumé
Plusieurs rapports généraux ayant paru, récemment sur les diverses méthodes théoriques pour aborder le problème du ferromagnétisme, on s'occupe ici seulement de la méthode des bandes, comme elle a été développée à Leeds. On a pu étendre les travaux antérieurs sur les propriétés magnétiques des métaux (Stoner, depuis 1933), pour embrasser avec précision les variations à toutes les températures, grace au calcul des intégrales de Fermi-Dirac (Mc Dougall et Stoner, 1938). Une théorie détaillée du ferromagnétisme s'ensuivit, avec une comparaison préliminaire entre les résultats théoriques et expérimentaux (Stoner, 1938-1939). Plus récemment, Wohlfarth (1949-1950) a donné des comparaisons plus étendues, et aussi des développements ultérieurs de la théorie. Toute théorie du ferromagnétisme se fonde provisoirement sur des prémisses simplifiées, et il faut contrôler sur chaque point les conclusions par des expériences si l'on veut mieux comprendre ces phénomènes complexes. Ceci demande, de la part du théoricien, une appréciation critique des travaux expérimentaux, et souvent une analyse soigneuse et pénible des résultats. Il faut aussi que l'expérimentateur soit au courant des vues théoriques pour pouvoir établir efficacement le plan de ses expériences et présenter convenablement les résultats. Les prémisses du traitement fondamental du problème sont que les électrons effectifs (ou les trous) sont dans une bande de forme parabolique, que l'énergie d'échange est proportionnelle au carré de l'aimantation et que la distribution des électrons, qui dépend de la température et du champ magnétique, doit être déterminée par application de la statistique Fermi-Dirac. Les paramètres caractéristiques sont le nombre des électrons effectifs dans la bande (qui ne correspond pas, en général, à un nombre entier de spins par atome, à cause du recouvrement des bandes), l'énergie de Fermi, ε0, et la valeur de kθ', mesure de l'énergie d'échange. On peut calculer l'aimantation relative, ζ (rapport du nombre des spins parallèles au nombre total), comme fonction de H et de T pour toute valeur de kθ'ε0. Dans la limite ε0/k θ' → 0, les courbes correspondent à celles qu'on obtient dans la théorie de Weiss. Pour kθ/ε'0 > 2/3 une aimantation spontanée survient au-dessous d'une température θ(θ/θ' < 1, sauf dans la limite classique) qui est le point de Curie. La saturation est incomplète même au zéro absolu pour kθ'/ε0 < 0,794. On donne des courbes d'aimantation spontanée au-dessous de θ et de susceptibilité au-dessus de θ pour une série de valeurs de kθ'/ε0. Pour le nickel, avec à peu près o,6 trous par atome dans la bande d, on obtient une coordination remarquable des résultats expérimentaux pour la variation de la susceptibilité et de l'aimantation spontanée et aussi pour la chaleur spécifique électronique aux basses et à hautes températures. On ne doit pas s'attendre à un accord complet, parce que les valeurs de kθ' et de ε0 ne sont pas constantes, mais varient avec la température, à cause de la dilatation thermique. Une anomalie apparente, le renversement de la courbure des courbes (I/X, T) à hautes températures, peut s'expliquer par le transfert calculable d'électrons de la bande d à la bande s. Les écarts de la forme théorique des courbes expérimentales pour la variation de l'aimantation spontanée avec la température peuvent être attribués provisoirement à ce que l'énergie d'échange n'est pas strictement proportionnelle au carré de l'aimantation, Par un developpement naturel de la théorie, on peut traiter, d'une manière semblable, un grand nombre d'alliages du nickel, et l'accord avec les expériences est satisfaisant. Pour de grands domaines de composition de plusieurs alliages, la saturation au zéro absolu est incomplète, ce qui arrive aussi, presque certainement, pour le fer. Pour le fer et le cobalt, pourtant, l'approximation d'une bande parabolique ne peut pas être bonne. On est en train de faire une analyse des effets des diverses formes de bandes. On donne une brève indication des travaux en cours sur des problèmes plus fondamentaux relatifs aux énergies d'échange et de corrélation, sur l'effet magnétocalorique dans les champs forts et sur les propriétés électriques des métaux ferromagnétiques et autres métaux.