Weisssche Bezirke (Domänen)

Elektronenspins, welche die elementaren magnetischen Bausteine der Materie bilden, sind in ferromagnetischen Festkörpern auch im entmagnetisierten Zustand (also wenn das Material nicht magnetisch ist) teilweise untereinander parallel ausgerichtet und nicht völlig willkürlich verteilt.
So finden sich in ferromagnetischen Materialien grundsätzlich Bereiche von einigen zehntel Millimetern Grösse, in denen die Elektronenspins untereinander parallel ausgerichtet sind. Man nennt diese Bereiche Weisssche Bezirke (nach dem Physiker Pierre-Ernest Weiss) bzw. Domänen. Durch ein äusseres Magnetfeld verschmelzen viele kleine Domänen zu grösseren Domänen und die Magnetisierung des Festkörpers wird nach aussen hin messbar. Parallel ausgerichtete Elektronenspins sind nämlich für das messbare makroskopische Magnetfeld verantwortlich.

Je nachdem, wie stark die Magnetisierung des Ferromagneten ist, sind die Spins aber auch nie alle parallel, sondern meist nur in Gruppen untereinander parallel angeordnet, während zwischen verschiedenen Gruppen von Spins die Ausrichtung nicht parallel ist. Der Bereich in einem Ferromagneten, in dem die Spins parallel ausgerichtet sind, wird als ein Weissscher Bezirk oder als eine Domänen bezeichnet. Die Domänen sind untereinander durch sogenannte Bloch-Wände abgetrennt.

Weisssche Bezirke sichtbar machen

Das Phänomen der Weissschen Bezirke kann in einem makroskopischen Modell illustriert werden. Dazu betrachtet man ein Set von Kompassnadeln, die drehbar auf einer Platte gelagert sind. Wenn sich die Kompassnadeln nahe genug sind, so dass es zu einer gegenseitigen Beeinflussung durch das magnetische Feld der benachbarten Nadeln kommt, dann stellt sich ein Zustand ein, in dem sich die Kompassnadeln in bestimmten Bereichen parallel ausrichten. Das Feld einer Kompassnadel richtet die anderen Kompassnadeln aus.
Es passiert jedoch höchst selten, dass sich wirklich alle Kompassnadeln parallel ausrichten. Meist gibt es eine Bereichsgrenze, hinter welcher eine abweichend ausgerichtete Gruppe zu finden ist, wie es in folgender Abbildung gezeigt ist.

In einem solchen Modell können alle Kompassnadeln durch ein äusseres Magnetfeld ausgerichtet werden. Durch den Einfluss der Temperatur (Bewegung der Komssassnadeln) oder mechanischen Einfluss von Aussen (Schläge auf das Brett) passiert es, dass ganze Gruppen von Kompassnadeln ihre Ausrichtung simultan ändern. Dies geschieht durch die gegenseitige Wechselwirkung der Kompassnadeln, wie auch bei Elektronenspins, oft sprunghaft für eine gesamte Gruppe.

Auch an Elektronenspins kann dieses sprunghafte Verhalten direkt beobachtet werden. Man spricht dabei von sogenannten Barkhausen-Sprüngen.

Die Veränderung der Ausrichtung eines ganzen Weissschen Bezirks (Barkhausen-Sprung) führt zu einer Magnetfeldänderung. Diese kann über einen Verstärker und einen Lautsprecher hörbar gemacht werden. Die Barkhausensprünge machen sich dann als kurzes "Knacken" im Lautsprecher bemerkbar.

Ebenso kann man die Bloch-Wände im Experiment sichtbar machen, indem eine Suspension mikroskopischer ferromagnetischer Partikel (z. B. Eisenstaub) auf das ferromagnetische Material gegeben wird. Der Staub sammelt sich dann entlang der Bereichsgrenzen verschiedener Weissscher Bezirke (siehe Abbildung). Dies kann unter dem Mikroskop direkt beobachtet werden.

Zunächst scheint es nicht verblüffend, dass benachbarte Elektronenspins wechselwirken und wie die Kompassnadeln Weisssche Bezirke bilden, denn die magnetischen Momente der Elektronenspins beeinflussen sich gegenseitig, und somit könnte man annehmen, dass das Magnetfeld eines Elektronenspins das Magnetfeld eines benachbarten Elektronenspins beeinflusst. So geschieht es im Modell der Kompassnadeln.
Es kann jedoch gezeigt werden, dass diese magnetische Kraft viel zu klein ist, um die starke Stabilisierung der Elektronenspins gegen die thermische Bewegung in Ferromagneten zu erklären. Stattdessen ist für die gegenseitige Wechselwirkung der Elektronenspins und für die Ausbildung von Weissschen Bezirken im Ferromagneten vor allem die Austauschwechselwirkung verantwortlich.