Ferromagnit materiallarning aksariyati metallardir, chunki ko‘pincha o‘tkazuvchanlik elektronlari ferromagnit o‘zaro ta’sirga sabab bo‘ladi. Shu bois ferromagnit izolyatorlarni, ayniqsa multiferroik, ya’ni ham ferromagnit, ham segnetoelektrik xususiyatlarni namoyon qiluvchi materiallarni yaratish murakkab vazifadir.

Bir qator aktinid birikmalar xona haroratida ferromagnetik hisoblanadi yoki sovitilganda ferromagnetizmni namoyon qiladi. PuP — kubik singoniya kristall panjarasiga ega xona haroratidagi paramagnetik bo‘lib, sovitilganda tetragonal fazaga o‘tadi. T_C = 125 K dan past haroratda ferromagnit tartiblanish paydo bo‘ladi. Ferromagnit holatda PuP ning oson magnitlanish o‘qi <100> yo‘nalishida joylashgan.

NpFe ₂ birikmasida oson magnitlanish o‘qi <111> yo‘nalishida bo‘ladi. T_C ≈ 500 K dan yuqorida NpFe ₂ ham paramagnit bo‘lib, kubik kristall tuzilishga ega. Kyuri haroratidan pastga sovitish romboedrik deformatsiyaga olib keladi; bunda romboedrik burchak 60° dan (kubik faza) 60,53° gacha o‘zgaradi. Bu deformatsiyani boshqacha izohlash uchun c ni deformatsiyadan keyingi yagona trigonal o‘q bo‘ylab uzunlik, a ni esa c ga perpendikulyar tekislikdagi masofa sifatida ko‘rish mumkin. Kubik fazada c/a=1 bo‘ladi. Tc dan past haroratda

Bu barcha aktinoid birikmalar orasidagi eng katta deformatsiyadir. NpNi ₂ da ham T_C = 32 K haroratidan pastda shunga o‘xshash kristall panjara deformatsiyasi (43 ± 5) × 10 ⁻⁴ kuzatiladi. NpCo ₂ esa 15 K dan pastda ferrimagnit holatga o‘tadi.

2009-yilda Massachusets texnologiya instituti fiziklari bir kelvindan past haroratgacha sovitilgan litiy gazi ferromagnetizmni namoyon qilishi mumkinligini ko‘rsatdi. Tadqiqotchilar guruhi fermion litiy-6 gazini 150 nK (kelvinning 150 milliarddan bir qismi) dan past haroratgacha infraqizil lazer yordamida sovitish orqali sovitdi. Bu gazdagi ferromagnetizmning ilk namoyishi edi.

2018-yilda Minnesota universiteti fiziklari hajmiy markazlashgan tetragonal tuzilishli ruteniy xona haroratida ferromagnetizmni namoyon qilishini ko‘rsatdi.

So‘nggi tadqiqotlar ayrim materiallarda elektr toki yoki kuchlanishi ta’sirida ferromagnetizmni yuzaga keltirish mumkinligini ko‘rsatdi. Antiferromagnit LaMnO3 va SrCoO elektr toki ta’sirida ferromagnit holatga o‘tadi. 2020-yil iyulda olimlar keng tarqalgan diamagnit material — piritda kuchlanish qo‘llash orqali ferromagnetizm hosil qilganliklarini ma’lum qildi. Ushbu tajribalarda ferromagnetizm faqat yupqa sirt qatlami bilan cheklangan edi.

Elektronning asosiy xususiyatlaridan biri (elektr zaryadiga egaligidan tashqari) uning magnit dipol momenti mavjudligidir. Ya’ni elektron magnit maydoni hosil qiluvchi juda kichik magnitdek tutadi. Bu dipol moment elektronning yanada fundamental xususiyati — spini tufayli yuzaga keladi. Kvant tabiatiga ko‘ra elektron spini ikki holatdan birida bo‘lishi mumkin: magnit maydoni «yuqoriga» yoki «pastga» yo‘nalgan (yuqori va past yo‘nalishlar ixtiyoriy tanlanadi). Atomlardagi elektronlar spini ferromagnetizmning asosiy manbaidir. Biroq elektronning orbital burchak momenti (uning atom yadrosi atrofida harakatlanishi bilan bog‘liq) ham o‘z hissasini qo‘shadi. Modda ichidagi bu magnit dipollar bir yo‘nalishda tartiblansa (spinlari bir tomonga qarasa), ularning alohida magnit maydonlari qo‘shilib, ancha kuchli makroskopik maydon hosil qiladi.

Biroq elektron qobiqlari to‘la bo‘lgan atomlardan tashkil topgan materiallarning umumiy magnit dipol momenti nolga teng. Chunki barcha elektronlar spinlari qarama-qarshi juftliklar hosil qiladi va har bir elektronning magnit momenti juftidagi ikkinchi elektron momenti bilan qoplanadi. Faqat elektron qobig‘i qisman to‘lgan atomlargina (ya’ni juftlashmagan spinli atomlar) umumiy magnit momentiga ega bo‘lishi mumkin. Shu sababli ferromagnetizm faqat qisman to‘lgan elektron qobiqli materiallarda yuzaga keladi. Hund qoidalariga ko‘ra, qobiqdagi dastlabki bir necha elektronning spinlari odatda bir xil yo‘nalishda bo‘ladi va bu umumiy magnit dipol momentini oshiradi.

Bunday juftlashmagan elektronlar (ko‘pincha oddiygina «spinlar» deb ataladi, garchi ular odatda orbital burchak momentini ham o‘z ichiga olsa) tashqi magnit maydoni yo‘nalishiga parallel tartiblanishga moyil. Bu hodisa paramagnetizm deyiladi. Ferromagnetizmda esa qo‘shimcha hodisa sodir bo‘ladi: ayrim moddalarda magnit dipollar tashqi maydon bo‘lmaganda ham bir yo‘nalishga o‘z-o‘zidan tartiblanadi va spontan magnitlanish yuzaga keladi.

Qo‘shni ikkita atomda juftlashmagan elektronlar bo‘lsa, ularning spinlari o‘zaro parallel yoki antiparallel joylashgani elektronlarning bir xil orbitalni egallay olishiga ta’sir qiladi. Bu almashinuv o‘zaro ta’siri natijasidir. O‘z navbatida, bu elektronlarning fazodagi joylashishi va Kulon o‘zaro ta’siriga, shu orqali turli holatlar energiyalari orasidagi farqqa ta’sir ko‘rsatadi.

Almashinuv o‘zaro ta’siri Pauli istisno prinsipi bilan bog‘liq. Unga ko‘ra, spini bir xil bo‘lgan ikki elektron bitta kvant holatida bo‘la olmaydi. Bu holat spin va statistika bog‘liqligi haqidagi teorema hamda elektronlarning fermionlar ekanligi bilan izohlanadi. Demak, muayyan sharoitlarda qo‘shni atomlarning juftlashmagan tashqi orbitallaridagi valent elektronlar orbitallari ustma-ust tushganda, spinlari parallel elektronlarning elektr zaryadlari fazoda spinlari antiparallel elektronlarnikiga qaraganda bir-biridan uzoqroq joylashadi. Bu spinlari parallel bo‘lganda elektronlarning elektrostatik energiyasini pasaytiradi; natijada parallel spinli holat barqarorroq bo‘ladi. Energiya darajalari orasidagi mazkur farq almashinuv energiyasi deb ataladi.

Almashinuv energiyasi magnit dipolning yo‘nalishiga bog‘liq dipol-dipol o‘zaro ta’siridan kelib chiqadigan energiya farqidan bir necha tartibga katta bo‘lishi mumkin; magnit dipollar esa bu ta’sir tufayli antiparallel joylashadi. Ba’zi legirlangan yarimo‘tkazgich oksidlarida RKKI almashinuv o‘zaro ta’siri uzoq masofalarda davriy magnit o‘zaro ta’sirlarni yuzaga keltirishi ko‘rsatilgan. Bu spintronika materiallarini o‘rganishda muhim ahamiyatga ega.

Almashinuv o‘zaro ta’siri raqobatlashuvchi magnit dipol-dipol o‘zaro ta’siridan ancha kuchli bo‘lgan materiallar ko‘pincha magnit materiallar deb ataladi. Masalan, temirda (Fe) almashinuv o‘zaro ta’siri magnit dipol o‘zaro ta’siridan taxminan 1000 marta kuchli. Shuning uchun Kyuri haroratidan pastda ferromagnit materialdagi deyarli barcha magnit dipollar bir yo‘nalishda joylashadi. Ferromagnetizmdan tashqari, almashinuv o‘zaro ta’siri magnit xossalarga ega qattiq jismlarda atom magnit momentlarining boshqa turdagi spontan tartiblanishiga ham sabab bo‘ladi. Ularga antiferromagnetizm va ferrimagnetizm kiradi. Turli ferromagnetiklar, ferrimagnetiklar va antiferromagnetiklarda magnetizmni yuzaga keltiruvchi almashinuv o‘zaro ta’sirining mexanizmlari har xil. Ularga almashinuv o‘zaro ta’siri, RKKI o‘zaro ta’siri, ikki karra almashinuv va superalmashinuv o‘zaro ta’siri kiradi.

Almashinuv o‘zaro ta’siri spinlarning bir yo‘nalishda tartiblanishini ta’minlasa-da, ularni muayyan yo‘nalishga qaratmaydi. Magnit anizotropiya bo‘lmasa (masalan, material magnit nanozarrachalardan iborat bo‘lsa), magnitdagi spinlar issiqlik fluktuatsiyalari tufayli tasodifiy yo‘nalishlarga buriladi va magnit superparamagnit holatga o‘tadi. Magnit anizotropiyaning bir necha turi bor. Ularning eng keng tarqalgani kristall tuzilish bilan bog‘liq bo‘lib, energiyaning magnitlanish yo‘nalishi va kristallografik panjaraning asosiy o‘qlari orasidagi burchakka bog‘liqligida namoyon bo‘ladi. Anizotropiyaning yana bir keng tarqalgan manbasi — teskari magnitostriksiya bo‘lib, unga ichki deformatsiyalar sabab bo‘ladi. Bir domenli magnitlarda zarrachalar shakliga bog‘liq magnitostatik ta’sirlar tufayli shakl anizotropiyasi ham kuzatilishi mumkin. Magnitning harorati oshganda anizotropiya odatda kamayadi va ko‘pincha bloklanish harorati mavjud bo‘lib, shu haroratda superparamagnetizmga o‘tish sodir bo‘ladi.

Yuqoridagi izohdan har qanday ferromagnit materialning butun hajmida spinlar bir yo‘nalishda joylashgani sababli kuchli magnit maydoni bo‘lishi kerakdek tuyuladi. Biroq temir va boshqa ferromagnetiklar ko‘pincha «magnitsiz» holatda uchraydi. Sababi shundaki, ferromagnit materialning katta bo‘lagi magnit domenlar (yana Veys domenlari deb ham ataladi) nomli juda kichik sohalarga bo‘lingan. Har bir domen ichida spinlar bir yo‘nalishga qaratilgan. Ammo katta material eng past energiyali holatda, ya’ni magnitlanmagan bo‘lsa, turli domenlarning spinlari har xil yo‘nalishga qaraydi va ularning magnit maydonlari bir-birini qoplaydi. Shu bois jism kuchli umumiy magnit maydoniga ega bo‘lmaydi.

Ferromagnit materiallar o‘z-o‘zidan magnit domenlarga bo‘linadi, chunki almashinuv o‘zaro ta’siri qisqa masofalarda ta’sir etadigan kuchdir. Uzoqroq masofalarda esa ko‘plab atomlar qarama-qarshi yo‘nalishga burilib, energiyasini kamaytirishga intiladi. Agar ferromagnit materialdagi barcha dipollar parallel joylashsa, atrofdagi fazoga tarqaladigan katta magnit maydoni hosil bo‘ladi. Bu maydonda ko‘p miqdorda magnitostatik energiya to‘planadi. Material turli yo‘nalgan ko‘plab domenlarga bo‘linib, bu energiyani kamaytirishi mumkin. Bunda magnit maydoni material ichidagi kichik mahalliy maydonlar bilan cheklanadi va maydon egallaydigan fazo hajmi qisqaradi. Domenlar bir necha atom qalinligidagi yupqa domen devorlari bilan ajralgan bo‘ladi; bu devorlarda dipollarning magnitlanish yo‘nalishi bir domen yo‘nalishidan qo‘shni domen yo‘nalishiga asta-sekin buriladi.

Shunday qilib, energiyasi eng past («magnitsiz») holatdagi temir bo‘lagi odatda zaif magnit maydoniga ega bo‘ladi yoki umuman magnit maydoni hosil qilmaydi. Biroq materialdagi magnit domenlar o‘zgarmas emas. Ular elektronlar spinlari magnit ta’sir tufayli o‘z-o‘zidan tartiblangan sohalar bo‘lib, tashqi magnit maydonini qo‘llash orqali ularning o‘lchamini o‘zgartirish mumkin. Materialga yetarlicha kuchli tashqi maydon ta’sir ettirilsa, domen devorlari siljiydi. Bu jarayonda devorlardagi elektron spinlari maydon ta’sirida buriladi va qo‘shni domenlarning spinlari bir yo‘nalishga keladi. Natijada domenlar qayta yo‘nalib, ko‘proq dipollar tashqi maydon bo‘ylab tartiblanadi. Tashqi maydon yo‘qolganidan keyin ham domenlar shu yo‘nalishni saqlab qolib, material atrofidagi fazoga tarqaluvchi o‘z magnit maydonini hosil qiladi. Shu tariqa «doimiy» magnit paydo bo‘ladi. Maydon olib tashlangach, domenlar eng past energiyali dastlabki holatiga qaytmaydi, chunki domen devorlari kristall panjaradagi nuqsonlarga «mahkamlanib» yoki «ilinib» qoladi va parallel yo‘nalishini saqlaydi. Buni Barkgauzen effekti  ko‘rsatadi: magnit maydoni o‘zgarganida domen devorlari nuqsonlardan birdan siljib o‘tishi natijasida magnitlanganlik minglab juda kichik uzlukli sakrashlar orqali o‘zgaradi.

Magnitlanganlikning tashqi maydonga bog‘liqligi gisterezis egri chizig‘i bilan tasvirlanadi. Magnitlangan ferromagnit materialda domenlarning tartiblangan holati minimal energiyali bo‘lmasa-da, u metastabil bo‘lib, uzoq vaqt davomida saqlanishi mumkin. Buni dengiz tubidan topilgan magnetit namunalari tasdiqlaydi: ular millionlab yillar davomida magnitlanganligini saqlagan.

Magnitlangan materialni qizdirib, keyin sovitish (yumshatib qizdirish), bolg‘a bilan zarb berib ishlov berish yoki magnitsizlantiruvchi g‘altak yordamida tez tebranuvchi magnit maydonini qo‘llash domen devorlarini mahkamlangan holatdan bo‘shatadi. Shunda domen chegaralari energiyasi va tashqi magnit maydoni kichikroq holatga qaytishga moyil bo‘lib, materialni magnitsizlantiradi.

Sanoat magnitlari juda kuchli magnit anizotropiyaga ega bo‘lgan «qattiq» ferromagnit yoki ferrimagnit materiallardan, masalan, alniko va ferritlardan tayyorlanadi. Bu materiallar kristallning bitta — «oson» o‘qi bo‘ylab juda kuchli magnitlanadi. Ishlab chiqarish jarayonida ularga kuchli magnit maydonida turli metallurgik ishlovlar beriladi. Natijada kristall donachalari shunday tartiblanadiki, ularning «oson» magnitlanish o‘qlari bir yo‘nalishga qaraydi. Demak, magnitlanganlik va undan hosil bo‘luvchi magnit maydon materialning kristall tuzilishida go‘yo «mustahkamlanib» qoladi. Shu sababli bunday magnitni magnitsizlantirish nihoyatda qiyin.

Harorat ko‘tarilganda issiqlik harakati yoki entropiya ferromagnit tartiblanishga qarshilik ko‘rsatadi. Harorat Kyuri harorati deb ataladigan muayyan chegaradan oshganda ikkinchi tur fazaviy o‘tish sodir bo‘ladi. Natijada tizim spontan magnitlanishni saqlay olmaydi, material magnitlanish yoki magnitga tortilish xususiyatini yo‘qotadi. Biroq u tashqi magnit maydoniga paramagnetik sifatida javob qaytarishda davom etadi. Mazkur haroratdan pastda simmetriyaning spontan buzilishi sodir bo‘lib, magnit momentlar qo‘shni momentlar yo‘nalishiga moslashadi. Kyuri harorati — kritik nuqta bo‘lib, unda magnit qabul qiluvchanlik cheksiz ortishga intiladi. Umumiy magnitlanganlik bo‘lmasa-da, domenlardagi spinlar o‘rtasidagi korrelyatsiyalar fazoviy o‘lchamlarning barcha miqyoslarida tebranib turadi.

Ferromagnit fazaviy o‘tishlarni, ayniqsa soddalashtirilgan Izing modeli yordamida o‘rganish statistik fizika rivojiga muhim ta’sir ko‘rsatgan. Aynan shu yo‘nalishda ilk bor o‘rtacha maydon nazariyasi yondashuvlari kritik nuqtadagi xatti-harakatni to‘g‘ri bashorat qila olmasligi ko‘rsatilgan. Bu nuqta boshqa ko‘plab tizimlarni, jumladan suyuqlik–gaz o‘tishlarini ham qamrab oluvchi universallik sinfiga mansub ekani aniqlangan. Shu sababli mazkur yondashuvlar o‘rniga renormallash guruhi nazariyasini qo‘llash zarur bo‘lgan.