مغناطیس: پدیده‌ای است که توسط آن مواد یک نیروی دافعه برروی مواد دیگر وارد میکنند. آهن- بعضی فولادها و بعضی املاح معدنی جزو این دسته مواد هستند. در واقعیت تمام مواد تحت تأثیر حضور یک میدان مغناطیسی تغییر جهت می‌دهند و میزان تأثیرپذیری آنها بقدری کم است که بدون وسایل مخصوصی آشکار نمی‌شوند.
نیروهای مغناطیسی، نیروهای بنیادی هستند که بدلیل ذرات باردار الکتریکی بوجود می‌آیند.منشاء و رفتار آنها توسط معادلات ماکسول شرح داده میشود.
برای حرکت جریان الکتریکی در داخل یک سیم، نیرو مطابق با قانون دست راست هدایت میشود. اگر قانون دست راست در امتداد سیم از سمت مثبت به طرف کنار اشاره کند، نیروهای مغناطیس در اطراف سیم در جهت نشان داده شده توسط انگشتان دست راست، حرکت می‌نماید. اگر یک حلقه (Loep) برای ذرات باردار در حال حرکت در یک مسیر دایره در نظر گرفته شود، آنگاه تمام ذرات باردار مرکز حلقه در جهت یکسان هدایت می‌شوند. به این ترتیب یک دو قطبی بوجود می‌آید.
دو قطبی در داخل یک میدان مغناطیسی، خودش را با آن همراستا می‌نماید، انگشت‌های دست راست در جهت جریان قرار میگیرند و انگشت شست به قطب شمال اشاره می‌نماید، در میدان مغناطیسی زمین، قطب شمال مغناطیس، به نقطه شمال اشاره خواهد کرد.
و دوقطبی‌های مغناطیس می‌توانند در اثر حرکت‌های الکترون بدست آیند. هر الکترون، گشتاورهایی دارد که از دو منبع نتیجه می‌شوند. اولین مورد، مربوط به الکترون در اطراف هسته است. در یک معنا، این حرکت بصورت یک حلقه جریان در نظر گرفته میشود، که منجر به یک گشتاور محور دوران گشتاور مغناطیس میشود.
در یک اتم، گشتاورهای مغناطیسی اربیتال از بعضی الکترونها یکدیگر را دفع می‌نمایند همان مطلب برای(گشتاور) مغناطیس اتم کلی درست است، که برابر با مجموع مغناطیسی می‌باشد. برای لایه اصلی یا فرعی با اربیتال کاملاَ پرشده با الکترون، مومان‌های مغناطیسی بطور کامل یکدیگر را حذف می‌نمایند. بنابراین فقط اتمهای دارای لایه‌های الکترون p دارای یک گشتاور مغناطیسی هستند. مواد مغناطیسی از لحاظ طبیعت و گشتاورهای مغناطیسی اتمی با بقیه مواد تفاوت دارند. شکلهای مختلف رفتار مغناطیسی، مشاهده شده است.
* دیا مغناطیس * پارامغناطیس * فرومغناطیس * آنتی‌فرومغناطیس
* فری مغناطیس * سوپر پارامغناطیس
دیامغناطیس: یک فرم ضعیف از مغناطیس است که در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی بوجود می‌آید و در اثر حرکت اربیتال الکترونها ناشی از میدان خارجی بوجود می‌آید. مومان مغناطیسی القا شده خیلی کوچک است و در جهت مومان میدان بکار رفته می‌باشد. وقتی مواد و یا مغناطیس بین آهنربا قرار میگیرند به طرف محلی جذب می‌شوند که میدان مغناطیس ضعیف است. دیامغناطیس بقدری ضعیف هستند که فقط در موادی پیش می‌آید که نمی‌توانند شکلهای دیگری از مغناطیس را نشان دهند. یک استثناء برای طبیعت » ضعیف « دیامغناطیس در مواد ابر رسانا در دماهای پایین رخ می‌دهد. ابررساناها دیا مغناطیس کامل هستند و وقتی که در میدان مغناطیسی قرار میگیرند خطوط نیرو را از داخل خودشان دفع میکنند. ابررساناها دارای مقاومت الکتریکی هستند و ساختمان آنها حالت خاصی دارد. مغناطیس‌های ابررسانا ساز اجزای اصلی سیستم‌های دیامغناطیس هستند و در این زمینه کاربرد دارند. یک برش نازک از گرافیت پیرولیتیک می‌تواند برروی یک میدان مغناطیسی شناور و پایدار بماند این امر در مورد مواد دیامغناطیس به چشم می‌خورد.
پارامغناطیس: تمایل ماده به حالت مغناطیس برای آرایش دو قطبی‌های اتمی خویش به منظور تقویت میدان می‌باشد. در دیامغناطیس، میدان مغناطیس برروی هر دو قطبی اتمی اثر می‌کند و هیچ تعاملی بین اتمهای دیامغناطیس مجزا وجود ندارد. رفتار پارامغناطیس می‌تواند در بالاتر از دمای cure یا Neel در بعضی مواد مشاهده شود. فرومغناطیس قوی‌ترین شکل مغناطیسی است که در اکثر موارد زندگی روزمره ما مصرف دارد. اکثر مغناطیس‌ها دائمی فرومغناطیس هستند بعضی مواد فرومغناطیس شامل آهن، کبالت، نیکل، و گادولینیم است. نیروهای مغناطیس قوی در مواد فرومغناطیس ترکیبی از خواص اتمهای مجزا و ساختمان کریستالی ماده جامد را تحت تأثیر قرار می‌دهد. نیروهای مغناطیس بدلیل حرکت الکترونها بوجود می‌آیند. حرکت اربیتالی الکترون در اطراف هسته بصورت یک حلقه جریان می‌تواند در نظر گرفته شود. که باعث ایجاد مومان مغناطیس در امتداد محور دوران الکترون می‌گردد. منبع مومان مغنتاطیس الکترون، ناشی از خاصیت مکانیکی موسوم به » اسپین( چرخش)« است. این خاصیت تا حدی شبیه به تصویر یک الکترون است که حول محورش می‌چرخد ولی» اسپین« مکانیک کوانتومی پدیده‌ای است که در واقع از یک معنای ماکروسکوپی ناشی میشود بنابرین ممکن است همواره صادق نباشد مومان‌های مغناطیس اسپین ممکن است جهت‌های خودشان راتغییر دهند و به طرف بالا یا پائین تغییر نمایند. در یک اتم مومان‌های مغناطیس اربیتال زوج الکترون در جهت‌های مخالف هم یکدیگر را حذف میکنند. مومان مغناطیس کلی برابر با مجموع مومان‌های مغناطیسی الکترون‌های مجزا است. برای یک لایه الکترونی کاملاَ پر شده مومان‌های مغناطیسی یکدیگر را کاملاَ حذف میکنند بنابراین لایه‌های الکترونی‌ای که کامل پر نشده‌اند دارای یک مومان مغناطیس متفاوت با لایه‌های پر شده است ، می‌باشند. نیروهای مغناطیس بدلیل تفاوت ساختار بلوری در مواد فرومغناطیس فرق می‌نماید. در یک فرومغناطیس، تعامل مومان‌ها باعث میشود که اتمها در کنار یکدیگر قرار گیرند که باعث ایجاد یک میدان مغناطیس داخلی قوی دائمی می‌گردد و در این میدان قوی است که مواد فرومغناطیس جذب یکدیگر می‌شوند. نیروهای جفت‌کردن تمایل به ایجاد مومان‌های مجاور یکدیگر را دارند. در میدان مغناطیس ماده شامل تعدادی از حوزه‌های مختلف است که ممکن است یکدیگر را خنثی کرده یا نکنند. اگر میدان مغناطیس حذف شود حوزه‌ها از بین می‌روند و دیگر عمل نمی‌کنند اگر ماده مدت کافی در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار گرفته باشد حوزه بطور دائمی همراستا می‌شوند و ماده یک مغناطیس دائمی می‌گردد.
سوپر پارامغناطیس
رفتار ماده مشابه با حالت پارا مغناطیس در دمای cuire یا Neel را می‌گویند.
معمولاَ نیوهای جفت کننده در مواد مغناطیس باعث همراستا شدن مومان اتمهای همسایه میشود و میدان مغناطیس بوجود می‌آید در دماهای بالاتر از دمای cuire وneel ممکن است مواد آنتی فرومغناطیس بوجود آید. و مومان‌ها بصورت تصادفی نوسان کنند. در میدان مغناطیس داخلی ماده رفتار پارامغناطیس نشان نمی‌دهد سوپر پاارامغناطیس حالتی است که در موادی تشکیل میشود که از کریستالهای کوچک () تشکیل شده‌اند. در این حالت دما می‌تواند برای غلبه بر نیروهای جفت‌کننده بین اتمهای مجاور مؤثر باشد و انرژی حرارتی برای تغییردادن جهت کریستالیت بطورکامل کافی می‌باشد. نوسانات حاصل در مغناطیس کردن باعث میشود که میدان مغناطیس بطور متوسط به صفر برسد و ماده به شیوه‌ای مشابه با پارامغناطیس عمل کند. مومان مغناطیسی تمایل دارد که با میدان مغناطیس همراه شود. انرژی برای تغییر جهت مومان‌ها در کریستال‌ها لازم می‌باشد ک این انرژی به انرژی ایزوتروپی کریستالین معروف است و بستگی به خواص ماده و اندازه کریستالیت دارد. وقتی انرژی کم میشود حالت سوپرپارامغناطیس تغییر می‌نماید.
به‌کلی- میکروسکوپ PEEM2 ، با امکانات اشعه X ، ( برای طیف‌سنجی) تحت منبع نور(ALS ) در آزمایشگاه ملی برکلی( بخش انرژی) تصاویری از ساختار لایه نازک آنتی فرومغناطیس تولید کرده است که ماده‌ای حیاتی برای ساختن هدهای کامپیوتر در قسمت درایوهای هاردیسک می‌باشدو تصاویر دقیق نشان داده‌اند که همراستایی حوزه های مغناطیس در اکسید آهن لانتانیوم وجود دارد که هر کدام فقط چندصد نانومتر اندازه دارد و مربوط به یک وضعیت خاص کریستالهای ماده است. این یافته‌ها ایجاد دستگاههای مغناطیسی بهبود یافته را نوید می‌دهد. PEEM2 طبق توافق تحقیق و توسعه شرکت بین شرکت IBM و آزمایشگاه برکلی ساخته شد(با همکاری دانشگاه ایالت آریزونا) نتیجه تحقیقات منتشر شده در 11 فوریه در مجله علوم چنین است:
»یک هد مدرن از لایه‌های بسیار نازک با خواص مغناطیسی مختلف استفاده می‌کند، وقتی هد از هارد دیسک عبور می‌نماید، این لایه‌ها محل دامنه‌ها را برروی دیسک احساس میکنند و باعث می‌شوند که پاسخ مقاومت الکتریکی هد تغییر نماید. وقتی لایه‌های فرومغناطیسی هد وضعیت مغناطیسی پیدا می کنند، مقاومت الکتریکی کمتر از زمانی نشان می‌دهند که از لحاظ مغناطیسی مخالفت می‌شدند. برای ارتباط یک لایه(سوئیچ) به لایه دیگر بطور مستقل باید لایه مغناطیسی توسط یک لایه آنتی‌فرومغناطیس زیرین دوخته شود که به میدان های مغناطیسی بکار رفته حساسیت ندارد. هیچکس دقیقا َ نمی‌داند که مکانیسمی که فرومغناطیس را به آنتی‌فرومغناطیس جفت می‌نماید چیست. برای بررسی مواد مغناطیسی، محققان به ابزاری با قدرت بالا احتیاج داشتند و باید یک نوع اتم را از اتم دیگر متمایز می‌کردند« تنها روشی که بتواند این کار را انجام دهد میکروسکوپ PEEM است. یک اشعه از جنس( ورودی) X برروی یک نمونه در PEEM2 متمرکز میشود تا الکترونها منتشر گردند. (خروجی) انرژی اشعه خروجی می‌تواند برای عناصر معینی تعیین گردد مثلاَ آهن الکترونها را با شدت بیشتری منتشر می‌کند هنگامی که فوتون ها در اشعه دارای انرژی حدود 710 الکترون ولت باشد.