说明
本课程是2012年左右张曙丰的自旋电子课程,可查看网站 主要讲金属磁性材料的基本知识! 简单目录: 1-5集是磁学的简单概念和相互作用。 磁动力学是6-10集。 11-18集是几个subject。 具体应用为19-21集。
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顺磁性:
随着时间的演变,材料磁性始终保持无序。 金属导电的电子顺磁性称为气泡顺磁性。
泡利顺磁性推导
(来源:铁磁学第一册P56) 在相空间中,每个体积都是 h 3 h^3 h3只有两个电子相格。单位体积中的电子数: n = 2 × 4 3 π P F 3 / h 3 = 8 π 3 h 3 ( 2 m E F ) 3 / 2 = N ( E ) d E n=2\times \frac{4}{3}\pi P_F^3/h^3 = \frac{8\pi}{3h^3}(2mE_F)^{3/2} = N(E)dE n=2×34πPF3/h3=3h38π(2mEF)3/2=N(E)dE 其中 N ( E ) = 4 π h 3 ( 2 m ) 3 / 2 E 1 / 2 N(E)=\frac{4\pi}{h^3}(2m)^{3/2}E^{1/2} N(E)=h34π(2m)3/2E1/2,为电子按能量的分布,称为态密度。在 H = 0 , T = 0 K H=0,T=0K H=0,T=0K时 N + = N − N_+=N_- N+=N−
当存在外磁场时时,磁场引起的能量变化为 μ H \mu H μH,因此只有费米面附近少量的电子才参与转移。 δ N + = 1 2 N μ B H \delta N_+ = \frac{1}{2}N\mu_B H δN+=21NμBH δ N − = 1 2 N μ B H \delta N_- = \frac{1}{2}N\mu_B H δN−=21NμBH 所以相应的磁化强度应为: M = ( δ N + − δ N − ) μ B = N ( E F ) μ B 2 H M= (\delta N_+ - \delta N_-)\mu_B = N(E_F)\mu_B^2H M=(δN+−δN−)μB=N(EF)μB2H 所以顺磁磁化率为 χ 顺 电 子 = 12 m μ B 2 h 2 ( π 3 2 / 3 n 1 / 3 ) \chi_顺^电子=\frac{12m\mu_B^2}{h^2}(\frac{\pi}{3}^{2/3}n^{1/3}) χ顺电子=h212mμB2(3π2/3n1/3)
spin glass
主要体现在冻结上,依然是磁有序,但是不是所有的磁矩都有规律排列,微观看依旧是随机的,但是宏观有净磁矩。并且不随时间改变。有冻结温度 T f T_f Tf
超顺磁
随时间整体改变磁矩方向。
一般不考虑轨道角动量原因
对于轨道波函数的解: Y 2 , 1 Y_{2,1} Y2,1和 Y 2 , − 1 Y_{2,-1} Y2,−1总是在一起的,只能在小的范围内break掉。
海森堡模型
∑ i , j S i S j \sum\limits_{i,j} S_i S_j i,j∑SiSj 海森堡交换作用并不是磁偶极子相互作用。它的来源是电子的相互作用,库仑相互作用进一步来源于泡利不相容原理。 交换两个电子后,他们的波函数相反,这意味着,当轨道部分对称时,自旋部分必须反对称。当自旋部分对称时,轨道部分必须反对称。 由于单重态和三重态的存在会导致 overlap Coulomb integral 如果是相同的自旋,波函数如果想要在一起库仑相互作用就会增强。如果是相反的自旋,波函数要分开,库仑相互作用减弱。在固体里面原子靠得近,作用力很强! 假设哈密顿量 H = ( E 1 − E 2 ) S 2 2 + E 0 ∝ − J S i S j H = (E_1 - E_2)\frac{S^2}{2}+E_0 \propto -JS_iS_j H=(E1−E2)2S2+E0∝−JSiSj 考虑J的大小,当晶格常数比较大的时候,电子的库仑排斥也会见效,J减小。当晶格常数比较小的时候,电子间库仑相互作用比较强,J比较大。 还有各向异性的模型,Ising model这个主要是平面内各向同性,z方向各向异性。或者z方向加强磁场,能量比J还要大。
平均场理论
$M(T) = gS\mu_BB_s(gM(T)/K_BT) , 其 中 ,其中 ,其中B_s(x)$是布里渊函数。
自旋波理论
M ( T ) = M 0 − S ∑ k n k M(T) = M_0 - S\sum\limits_k n_k M(T)=M0−Sk∑nk n k = 1 e ε − 1 n_k = \frac{1}{e^{\varepsilon}-1} nk=eε−11 ε = J a 2 k 2 + g μ B H \varepsilon = Ja^2k^2+g\mu_BH ε=Ja2k2+gμBH
::2 在低温时使用自旋波理论,高温时使用平均场理论。 自旋波理论可以解释为什么有分数的 μ B \mu_B μB. 铁磁矩 μ = 2.2 μ B \mu = 2.2\mu_B μ=2.2μB Co磁矩 μ = 1.6 μ B \mu = 1.6\mu_B μ=1.6μB Ni磁矩 μ = 0.6 μ B \mu = 0.6\mu_B μ=0.6μB
自由电子模型
E k ∝ n ↓ 5 3 + n ↑ 5 3 E_k \propto n_{\downarrow}^{\frac{5}{3}}+n_{\uparrow}^{\frac{5}{3}} Ek∝n↓35+n↑35 E e x ∝ U n ↓ ↑ E_{ex} \propto U_{n_{\downarrow \uparrow}} Eex