LandauDiamagnetismus

Der Landau-Diamagnetismus ist der diamagnetische Beitrag der bewegten Elektronen in Metallen, der aus der Quantisierung der Elektronenbahn im Magnetfeld resultiert. Wenn ein Magnetfeld B angelegt wird, teilen sich die orbitalen Zustände der freien Elektronen in sogenannte Landau-Niveaus auf. Die damit verbundene Änderung der Dichtezustände führt zu einem magnetischen Moment, das dem äußeren Feld entgegenwirkend gerichtet ist.

Der physikalische Kern besteht in der Landauquantisierung der Elektronenbahnen. Die Energieniveaus eines freien Elektrons im Feld B lauten E_n(k_z) = ħω_c(n + 1/2) + ħ^2 k_z^2 /(2m), wobei ω_c = eB/m die Zyklotronfrequenz ist und n eine nichtnegative Ganzzahl. Der Fermi-Eindruck der Elektronenkette führt dazu, dass diese diskrete Struktur der Zustände eine schwache negative Suszeptibilität erzeugt, das heißt der Landau-Diamagnetismus ist ein orbitaler Beitrag mit gegen das Feld gerichteter Orientierung.

In der Praxis tritt der Landau-Diamagnetismus in Metallen als Teil des gesamten magnetischen Reaktionsspektrums auf. Er wird häufig durch den spinbedingten Pauli-Paramagnetismus ergänzt oder sogar übertroffen; die Gesamssuszeptibilität χ ergibt sich aus χ = χ_L + χ_P, wobei χ_L negativ (diamagnetisch) und χ_P positiv (paramagnetisch) ist. Die Wirkung ist allgemein klein, insbesondere im Vergleich zu anderen magnetischen Beiträgen, aber sie ist grundlegend für das Verständnis der magnetischen Reaktionen conduction electrons.

Temperatur und Feldstärke beeinflussen das Ausmaß des Effekts: Bei niedrigeren Temperaturen und in starken Feldern können quantisierte Effekte deutlicher erscheinen, und Phänomene wie die de Haas–van Alphen-Oszillationen sind verwandte Erscheinungen der Landau-Quantisierung.

Siehe auch: Pauli-Paramagnetismus, Landau-Quantisierung, de Haas–van Alphen-Effekt.