Weiss'i piirkonnad (domeenid)

Elektronspinid, mis moodustavad aine elementaarsed magnetilised ehitusplokid, on ferromagnetilistes tahkistes ka demagnetiseeritud olekus (s.t. kui materjal ei ole magnetiline) osaliselt omavahel paralleelselt joondunud ega ole täiesti juhuslikult jaotunud.
Põhimõtteliselt leidub ferromagnetilistes materjalides mõne kümnendikmillimeetri suuruseid piirkondi, kus elektronspinid on omavahel paralleelselt joondunud. Neid piirkondi nimetatakse Weissi domeenideks (füüsiku Pierre‑Ernest Weissi järgi) ehk domeenideks. Välise magnetvälja toimel sulanduvad paljud väikesed domeenid suuremateks ning tahkise magnetiseeritus muutub väliselt mõõdetavaks. Paralleelselt joondunud elektronspinid on nimelt vastutavad mõõdetava makroskoopilise magnetvälja eest.

Spinid ei ole enamasti tervikuna paralleelselt joondunud, vaid paralleelne joondumine esineb üksnes rühmade sees. Erinevate rühmade vahel ei ole spinide suund enamikul juhtudel paralleelne. Piirkonda ferromagnetis, kus spinid on paralleelselt joondunud, nimetatakse Weissi domeeniks või domeeniks. Domeenid on üksteisest eraldatud niinimetatud Blochi seintega.

Weissi domeenide nähtavaks tegemine

Weissi domeenide nähtust saab illustreerida makroskoopilise mudeliga. Selleks vaadeldakse komplekti pöördeliselt plaadile kinnitatud kompassinõelu. Kui kompassinõelad on üksteisele piisavalt lähedal, nii et naabernõelte magnetväljad üksteist mõjutavad, siis kujuneb olek, kus kompassinõelad joonduvad teatud piirkondades paralleelselt. Ühe kompassinõela väli joondab teised kompassinõelad.
Siiski juhtub väga harva, et kõik kompassinõelad joondusid päriselt paralleelselt. Tavaliselt esineb piirkonnapiir, mille taga on erinevalt joondunud rühm, nagu on näidatud järgmisel joonisel.

Sellises mudelis saab kõik kompassinõelad välise magnetväljaga joondada. Temperatuuri mõju (kompassinõelte liikumine) või mehaanilise välismõju (löögi(d) vastu lauda) tõttu juhtub, et terved kompassinõelte rühmad muudavad oma suunda samaaegselt. See toimub kompassinõelte vastastikuse mõju tõttu ning sageli, nagu ka elektronspinnide puhul, hüppeliselt terve rühma ulatuses.

Ka elektronspinnide puhul saab seda hüppelist käitumist otseselt jälgida. Seda nimetatakse nn Barkhauseni hüpeteks.

Terve Weiss’i domeeni (Barkhauseni hüpe) suuna muutus viib magnetvälja muutumiseni. Seda saab võimendi ja valjuhääldi abil kuuldavaks teha. Barkhauseni hüpped avalduvad valjuhääldis lühikese "naksatusena".

Samuti saab Blochi seinu katses nähtavaks teha, kui kanda ferromagnetilisele materjalile mikroskoopiliste ferromagnetiliste osakeste suspensioon (nt rauatolm). Tolm koguneb seejärel eri Weiss’i domeenide piirialadele (vt joonis). Seda saab otse mikroskoobi all vaadelda.

Esmalt ei tundu üllatav, et lähestikku asuvad elektronspinnid vastastikku mõjuvad ja moodustavad nagu kompassinõelad Weiss’i domeene, sest elektronspinnide magnetilised momendid mõjutavad üksteist ning seega võiks eeldada, et ühe elektronispinni magnetväli mõjutab naabruses asuva elektronispinni magnetvälja. Nii toimub see kompassinõelte mudelis.
Siiski saab näidata, et see magnetiline jõud on liiga väike, et seletada elektronspinnide tugevat stabiliseerumist ferromagnetides termilise liikumise vastu. Selle asemel on elektronspinnide vastastikuse mõju ja Weiss’i domeenide kujunemise eest ferromagnetis eeskätt vastutav vahetusvastasmõju.