Espín atómico

Los campos magnéticos se generan siempre por el movimiento de cargas. Las propiedades magnéticas de la materia, es decir, el ferro, para y diamagnetismo, también vienen determinadas por los estados de movimiento de las partículas elementales cargadas en los átomos del material. Esto genera efectos magnéticos que se comportan como imanes elementales pequeños o, como dicen los físicos, «momentos magnéticos», en la ubicación de los átomos individuales.

Contribuciones al espín atómico: espín de electrón, momento orbital y espín nuclear

El espín del electrón es el que más contribuye al momento magnético de los átomos. A diferencia del movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo atómico (llamado «momento orbital»), el espín del electrón es una propiedad de los propios electrones que puede imaginarse en cierto modo como la rotación de una esfera cargada alrededor de su propio eje; aunque la física muestre que esta idea no es del todo correcta.

Sin embargo, el espín del electrón no es el único imán elemental. El momento angular orbital, es decir, el movimiento de los electrones alrededor del núcleo atómico, también contribuye al momento magnético global de los átomos. La magnitud de la contribución depende en gran medida del tipo de material magnético. El espín del electrón domina en los materiales ferromagnéticos comunes (hierro, cobalto, níquel).
Sin embargo, existen numerosos compuestos y aleaciones (p. ej., samario-cobalto) que también tienen un momento orbital magnético de los electrones alrededor del núcleo que contribuye considerablemente al magnetismo. También existe el espín nuclear, que es aproximadamente en un factor de 1000 más débil que el espín de los electrones. Los núcleos atómicos pueden poseer espines muy diferentes, ya que su espín total está formado por el espín de todos los protones y neutrones del núcleo atómico. El espín de los protones y neutrones está formado, a su vez, por el espín de los quarks, que son las partículas elementales que componen el núcleo atómico.

El espín atómico es el momento magnético total de los átomos, el cual determina las propiedades magnéticas del material. Se puede calcular mediante la suma vectorial de las contribuciones individuales —espín electrónico, espín nuclear, momento orbital— (véase figura).

En los materiales ferromagnéticos, se da una estabilización adicional de los espines electrónicos alineados a través de la interacción de intercambio. Como resultado de ello, la contribución del espín electrónico a la magnetización es muy grande y los materiales ferromagnéticos resultan muy fáciles de magnetizar. Estos amplifican las fuerzas magnéticas en campos magnéticos en un factor conocido como «permeabilidad magnética» μ, el cual puede ser de hasta μ=150 000.