磁場の発生は主に2つの側面に分けられます。1つは電流の移動（電磁誘導）に基づくもので、もう1つは物質を構成する基本粒子のスピンに基づくものです。前者は電流の磁気効果で、私たちにとって馴染み深いものです。導体に電流が流れると、自由電子の方向性のある運動によって磁場が発生します。後者は物質自体によって生成される磁場で、本日はこれが主なトピックです。
世の中のあらゆるものは磁性を持っています。私たちの身の回りにある小さなテーブルや椅子から、宇宙の惑星や太陽まで、物質の状態（結晶、非晶質、液体、気体）、温度、圧力に関わらず、あらゆるものが磁性を持っています。磁性の強さは物質によって異なり、強い磁性を持つ物質もあれば、弱い磁性を持つ物質もあります。磁性を持たない物質は存在しないと言っても過言ではありません。
物質は、外部磁場における性質に基づいて、常磁性、反磁性、強磁性、フェリ磁性、反強磁性の5つのカテゴリーに分類できます。物質が磁性を持つのはなぜでしょうか？そして、異なる物質がこれらの異なる性質を持つのはなぜでしょうか？まずは、物質の根源である原子から考えてみましょう。
物質は原子で構成され、原子は原子核と電子で構成されています。原子において、電子は原子核の周りを公転するため、軌道磁気モーメントを持ちます。また、電子はスピンのため、スピン磁気モーメントも持ちます。原子の磁気モーメントは、主に電子の軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメントに由来し、これらがすべての物質の磁性の源となっています。（原子核の磁気モーメントは電子の磁気モーメントのわずか1/1836.5であるため、原子核の磁気モーメントは一般的に無視されます。）
孤立した単一原子の磁気モーメント
磁気モーメントは方向ベクトルです。原子内の電子は、上向きと下向きの2つのスピン方向を持っています。ほとんどの物質では、上向きスピンと下向きスピンを持つ電子の数は等しく、それらの磁気モーメントは互いに打ち消し合うため、原子の外部磁気は発生しません。原子内に異なるスピン方向を持つ電子の数が存在する物質はごくわずかです。この場合、反対方向のスピンを持つ電子の磁気モーメントが互いに打ち消し合った後、残りの電子のスピン磁気モーメントも打ち消され、原子全体の磁気モーメントが生成されます。原子1個の磁気モーメントは、その原子構造、具体的には電子の配置と数によって決まります。周期表のすべての元素の原子は、それぞれ独自の磁気モーメントを持っています。
結晶中の原子の磁気モーメント
上記の議論は単一原子の磁気モーメントに関するものです。しかし、固体結晶や非晶質固体では、原子は結晶の節点に位置し、隣接する原子の核電場と静電場の影響を受けます。そのため、結晶中の原子の磁気モーメントは、孤立した単一原子の磁気モーメントとは異なります。例えば、鉄、コバルト、ニッケルは3d遷移金属と呼ばれます。結晶中では、特定の原子の一部の電子が隣接する原子の共有電子となり、原子の電子構造が変化します。一部の軌道磁気モーメントは固定され、結晶中の原子磁気モーメントに寄与するのはスピン磁気モーメントのみとなります。その結果、結晶中の原子の実際の磁気モーメントと理論値の間には差が生じます。
巨視的物質の磁気モーメント
これまでの内容から分かるように、宇宙に存在するあらゆる物質は磁性を有しており、その起源は主に原子磁性にあります。原子ごとに磁気モーメントが異なるため、マクロな物質では原子磁気モーメント間に相互作用が生じます。室温での原子磁気モーメントの配置は原子によって異なります。マクロな物質の磁気的性質に基づいて、物質は常磁性、反磁性、強磁性、フェリ磁性、反強磁性に分類されます。これらの特性には、以下の3つが含まれます。
1. 磁化M
物質の巨視的な磁性は、その構成原子または分子の磁気モーメントによって生じます。物質の単位体積あたりの磁気モーメントの総和は磁化と呼ばれ、M（単位はA/m）で表されます。
1. 物質の体積をVとし、n個の原子から構成されるとします。各原子の磁気モーメントをμJとすると、M = μJ1 + μJ2 + … + μJn、つまりM = ΣμJ/vとなります。
2. 磁化曲線（M～H曲線）
外部磁場がゼロの場合、原子の磁気モーメントはランダムに配列することがあります。しかし、ゼロでない外部磁場が印加されると、磁場の影響を受けて、各原子の磁気モーメントは磁場の方向に整列します。このとき、物質の磁化Mが変化します。磁化Mと外部磁場Hの関係を示す曲線は磁化曲線と呼ばれ、M~H磁化曲線と略されます。物質によって磁化曲線は異なります。
3. 磁化率χ
M-H磁化曲線上の任意の点におけるMとHの比は磁化率と呼ばれ、χで表されます。χ = M/Hで、Mの単位はA/m、Hの単位もA/mです。したがって、これは相対的な磁化率であり、単位はありません。
原子磁気モーメントの大きさや配置、M～H磁化曲線の形状、磁化率などのパラメータを用いて物質の磁性を記述し、分類します。
常磁性物質
これらは磁場に近づけると磁場の方向に沿って磁化される物質ですが、その磁化は非常に弱いため、精密な機器でしか測定できません。外部磁場が除去されると、内部磁場もゼロに戻り、磁性がなくなります。例としては、アルミニウムや酸素などが挙げられます。
常磁性物質中の各原子は磁気モーメントを持ち、固有の原子磁気モーメントを持っています。常磁性物質では隣接する原子間に相互作用がないため、室温では原子磁気モーメントはランダムに配置され、原子磁気モーメントμJのどの方向への投影値もゼロです。外部磁場Hを印加すると、これらの物質の原子磁気モーメントは外部磁場の方向に沿ってごくわずかな角度しか回転できず、外部磁場の増加とともに磁化はゆっくりと増加します。その磁化率はχ>0であり、その値は通常10⁻⁵から10⁻³です。
常磁性体の原子磁気モーメントが外部磁場の方向と完全に一致することを保証するためには、大まかな見積もりでは 10⁹ ～ 10¹⁰ A/m の外部磁場強度が必要であることが示唆されていますが、これは現時点では人工磁場で実現するのは困難です。
反磁性材料
磁化率が負の物質は、磁化後、磁場の方向が外部磁場の方向と逆になることを意味します。すべての有機化合物は反磁性を示し、グラファイト、鉛、水などが反磁性物質の例です。
反磁性物質では、原子軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメントの両方の磁場への投影がゼロであるため、反磁性物質は正味の原子磁気モーメントを持たない。しかし、外部磁場の影響下では、電子軌道が誘導磁気モーメントを生成し、この誘導磁気モーメントは外部磁場の方向と反対方向となり、負の磁性を示す。反磁性物質の磁化の強さは負で、外部磁場と反対方向であり、その絶対値は外部磁場の増加に比例して増加する。
強磁性材料
これらは、外部磁場によって磁化されると、磁場が消えた後も磁化を維持する物質です。現在までに83種類の金属元素が発見されており、そのうち鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウムの4種類は室温以上で強磁性を示します。さらに、極低温ではテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウムの5種類の元素が強磁性元素に変化します。
強磁性材料では、原子は固有の原子磁気モーメントを有します。一部の電子は共有され、隣接する原子のスピン磁気モーメントは互いに平行に並びます（自発磁化とも呼ばれます）。強磁性材料のMH磁化曲線は非線形であり、磁化率χは磁場に応じて変化します。強磁性材料の磁化率χは非常に高く、10⁵から10⁷に達します。
反強磁性材料
これらは磁場を発生しません。比較的珍しく、新しい反強磁性材料が絶えず発見されています。ほとんどの反強磁性材料は低温でのみ存在し、ある温度を超えると通常は常磁性になります。例えば、クロムやマンガンは反強磁性です。
反強磁性材料では、原子は固有の原子磁気モーメントも持っています。一部の電子は共有されていますが、隣接する原子の磁気モーメントは反対方向に並んでいます（反強磁性秩序とも呼ばれます）。強磁性材料のM~H磁化曲線は直線で、磁化率χ>0であり、その値は約10⁻⁴～10⁻⁵と非常に小さく一定です。これは、反強磁性材料が外部磁場中で磁化されると、その原子磁気モーメントは外部磁場によってほとんど変化しないことを意味します。これは常磁性材料と同様に、弱磁性に属します。反強磁性材料の磁化率χは、下図に示すように温度によって変化します。Tnはニーア温度と呼ばれます。
フェリ強磁性材料
巨視的な磁性は強磁性と同じですが、磁化率が低い（磁化率χは10²～10⁵）という点が異なります。代表的な強磁性材料にはフェライトなどがあります。強磁性材料との最大の違いは、内部の磁気構造（磁気モーメントの配置）にあります。
画像 サブフェロ磁性材料の原子磁気モーメントはゼロではありません。隣接する原子磁気モーメント間には間接交換相互作用（RKKY交換相互作用）があり、隣接するサブ格子の原子磁気モーメントは反平行に整列します。しかし、隣接するサブ格子の原子磁気モーメントの大きさは異なります。この現象は、サブフェロ磁性秩序化またはサブフェロ磁性自発磁化とも呼ばれます。サブフェロ磁性材料のM-H磁化曲線は非線形で、強磁性材料の磁化率と似ていますが、磁化率はわずかに低いものの、依然として強磁性に属します。