Gebieden van Weiss (domeinen)

Elektronenspins, die de elementaire magnetische bouwstenen van het materiaal vormen, zijn in vaste ferromagnetische lichamen ook in een gedemagnetiseerde toestand (dus wanneer het materiaal niet magnetisch is) gedeeltelijk onderling parallel uitgelijnd en niet geheel willekeurig verdeeld.
Zo worden in ferromagnetische materialen over het algemeen gebieden gevonden van enkele tienden van millimeter grootte, waarbinnen de elektronenspins onderling parallel zijn uitgelijnd. Men noemt deze stukken gebieden van Weiss (naar de fysicus Pierre-Ernest Weiss) of ook domeinen. Door een extern magneetveld versmelten vele kleine domeinen tot grotere domeinen en de magnetisatie van het vaste lichaam wordt van buitenaf meetbaar. Parallel uitgelijnde elektronenspins zijn namelijk verantwoordelijk voor het meetbare macroscopische magneetveld.

De spins zijn meestal niet allemaal parallel uitgelijnd, maar alleen in groepen onderling parallel gerangschikt. Tussen de verschillende groepen is de uitlijning van de spins dus in de meeste gevallen niet parallel. Het gebied binnen een ferromagneet, waarbinnen de spins parallel zijn uitgelijnd, wordt een gebied van Weiss of een domein genoemd. De domeinen zijn onderling door zogenaamde Bloch-wanden van elkaar gescheiden.

Gebieden van Weiss zichtbaar maken

Het fenomeen van de gebieden van Weiss kan met behulp van een macroscopisch model worden geïllustreerd. Hiervoor bekijkt men een set kompasnaalden, die draaibaar gelagerd zijn op een plaat. Wanneer zich de kompasnaalden dicht genoeg bij elkaar bevinden, zodat er een wederzijdse beïnvloeding van het magnetische veld van de naburige naalden optreedt, dan wordt een toestand bereikt, waarin de kompasnaalden zich in bepaalde gebieden parallel uitlijnen. Het veld van een kompasnaald lijnt de andere kompasnaalden uit.
Het komt echter hoogst zelden voor, dat zich werkelijk alle kompasnaalden parallel uitlijnen. Meestal is er een gebiedsgrens, waarachter een afwijkend uitgelijnde groep te vinden is, zoals de volgende afbeelding toont.

In zo'n model kunnen alle kompasnaalden door een extern magneetveld worden uitgelijnd. Door de invloed van de temperatuur (beweging van de kompasnaalden) of een mechanische invloed van buitenaf (slagen op het bord) gebeurt het, dat hele groepen kompasnaalden hun uitlijning tegelijkertijd veranderen. Dit gebeurt door de onderlinge wisselwerking van de kompasnaalden, zoals ook bij elektronenspins, vaak sprongsgewijs voor een hele groep.

Ook aan elektronenspins kan dit sprongsgewijze gedrag direct worden waargenomen. Men heeft het hierbij over zogenaamde Barkhausensprongen.

De verandering van de uitlijning van een compleet gebied van Weiss (Barkhausensprong) leidt tot een verandering van het magneetveld. Dit kan via een versterker en een luidspreker hoorbaar worden gemaakt. De Barkhausensprongen kunnen dan als kort "knakken" in de luidspreker bemerkbaar worden.

Eveneens kan men de Blochwanden in het experiment zichtbaar maken, door een suspensie van ferromagnetische deeltjes (bijv. ijzerstof) op het ferromagnetische materiaal te verspreiden. Het stof verzamelt zich dan langs de gebiedsgrenzen van verschillende gebieden van Weiss (zie afbeelding). Dit kan direct worden waargenomen onder de microscoop.

Eerst lijkt het niet verbluffend, dat naburige elektronenspins een wisselwerking vertonen en hoe de kompasnaalden gebieden van Weiss vormen, want de magnetische momenten van de elektronenspins beïnvloeden elkaar en dus zou men kunnen aannemen, dat het magneetveld van een elektronenspin het magneetveld van een naburige elektronenspin beïnvloedt. Zo gebeurt het in het model met de kompasnaalden.
Het kan echter worden getoond, dat deze magnetische kracht veel te klein is, om de sterke stabilisering van de elektronenspins tegen de thermische beweging in ferromagneten te verklaren. In plaats daarvan is voor de onderlinge wisselwerking van de elektronenspins en voor de vorming van gebieden van Weiss in de ferromagneet vooral de uitwisselingsinteractie verantwoordelijk.