磁性物理复习参考.doc

第二章抗磁性的来源1.拉莫尔进动导致的抗磁性（经典、局域电子）。轨道电子在外磁场作用下，产生拉莫尔进动，其感生出的磁化强度总是与外场H反平行，表现为抗磁性。2.朗道抗磁性（巡游电子）。金属中的抗磁性，来源于传导电子在外磁场作用下进行回旋运动，外磁场使电子的能量量子化，从连续的能级变为不连续的能级，这种量子化引起了导体能量随磁场的变化，从而表现出抗磁性。n为单位体积电子数顺磁性的来源1.泡利顺磁性（巡游电子）：对于传导电子，在外场的作用下，自旋向上和自旋向下两个子能带中的电子在费米面附近的态密度发生变化，由此产生的磁化强度正比与外场H，表现为顺磁性。只有费米能级附近的电子才能改变自旋取向。顺磁性与抗磁性是同时表现出的2.固有磁矩取向顺磁性（朗之万顺磁性、顺磁性的经典理论、局域电子）：材料中的原子磁矩都是互相独立的，每个原子都在进行热振动，符合玻尔兹曼统计。在无外加磁场时，磁矩随机取向，磁化为0，当外加磁场时，磁矩按磁场方向取向，即表现正的磁化率。3.van vleck顺磁性：考虑磁场对本征波函数的作用，这种顺磁性来源于磁场对电子云的改变。即二阶微扰使激发态混入基态，使电子态发生微小变化所致。（它基本不依赖于温度）第三章外斯分子场理论，基本特点，如何解释铁磁性：外斯假设铁磁性物质中每一个磁矩都受到内部的一个分子场的作用，它使原子磁矩自发地一致取向，产生自发磁化，铁磁体中的分子场与自发磁化强度成正比（Hm=M）。在分子场和外加磁场的作用下，铁磁体的宏观磁化强度随外场和温度的变化，可以用玻尔兹曼统计得到：其磁化率与温度的关系：TTc：居里外斯定律。这里的C与泡利顺磁性中的C相同在T=Tc发散居里外斯定律：铁磁性材料磁化率随温度变化：反铁磁与亚铁磁：解释为材料中存在两套磁晶格，分别感受到不同的有效场。局域电子的stoner模型d和s电子在重叠的ds轨道重新分配在2个自旋方向不同的次能带中的电子数目的不同导致了局域电子系统的自发磁化Stoner criterion for FM第4章交换相互作用所谓分子场实际上是电子交换作用的一种平均场近似。两原子中的电子因近邻而存在的一种交换相互作用。是静电相互作用的纯量子效应。Super Exchange Interaction：两磁性阳离子通过中间的阴离子为媒介发生的一种间接相互作用，其机理是阴离子中的p电子向阳离子中伸展，转移到一个阳离子的3d轨道，当阳离子中3d电子数小于5时，处于激发态的p电子自旋将与阳离子3d轨道自旋平行，反之，若大于等于5，则反平行。由于2p电子的自旋肯定是反平行的，所以剩下一个p电子将会与阳离子的d电子产生正的或负的交换作用，从而使两个阳离子产生平行或者反平行。Double Exchange Interaction：两个不同价态的过渡族RKKY：以巡游的s电子为媒介，使磁性原子中局域的4f电子自旋与其邻近的磁性原子的4f电子自旋产生交换作用。表现出的2个重要特征：1、长程交换耦合。2、J（R）的正负号随着离子距离的增加而震荡这解释了：1、稀土金属中的复杂自旋结构。2、自选玻璃态中的长程自旋耦合。3、磁性金属多层膜的层间耦合 能带模型分子场 自旋波理论因为铁磁体中存在的交换相互作用，其能量最低的基态是所有自旋平行排列的状态。当有热扰动时，体系被激发，而出现一个单独的自旋翻转所需要的能量是极高的，所以这一个翻转就会通过周围自旋取向的周期性变化（振荡）来共同实现，以波的形式向周围传播，直到弥散至整个晶体。自旋的翻转在晶体中的传播称为自旋波。磁各向异性1.磁晶各项异性：由于单晶材料的晶体结构具有对称性，磁化曲线随晶轴的方向显示各向异性，即磁性随晶轴方向显示各向异性，这种现象称为磁晶各向异性。来源：单离子模型：晶场使磁性离子的轨道能级劈裂，即轨道电子云的分布沿某些特定方向时，磁性离子的的能量才最低。同时由于自旋轨道耦合，使磁性离子的自旋也产生择优取向。双离子模型（自旋对模型）：赝偶极相互作用形状各向异性：由于各方向的尺寸不一样，导致其不同方向有不同的退磁场和退磁能，由此产生的各向异性叫形状各向异性磁弹各向异性：当在铁磁体上施加应力，内部产生的应变导致附加能量应力能，出现的各向异性叫磁弹各向异性。Magnetoelastic energy各种感生各向异性：磁场热处理，轧制，光辐照等等磁致伸缩：铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的现象，叫体磁致伸缩。铁磁材料由于磁化状态的变化而引起的长度变化为线磁致伸缩。绝对值随着磁场增大而增大，最后达到饱和。反过来，对材料施加一个压力或拉力，使材料的长度发生变化，内部磁化状态也变化，为压磁效应。起源：与磁各向异性一样，磁致伸缩起源于原子磁矩间的相互作用，当磁矩局里可变时，相互作用能可以写为：第一项是交换作用项，对线性磁致伸缩没有贡献，但是对体积磁致伸缩有重要作用；第二项代表偶极-偶极相互作用，它依赖于磁化强度的方向，是通常的线性磁致伸缩的主要来源。第三项及以后的也有贡献但是很小。磁畴：宏观的磁性材料中存在很多一致磁化的小区域，这些小区域被称为磁畴，磁畴与磁畴之间被磁畴壁分开。起源：材料中出现磁畴结构是能量最小化的结果，在块体材料中，单畴结构会带来很大的退磁能（不规则的内应力分布也导致很大的应力能），多畴结构能降低体系总的退磁能，使体系能量最低。磁畴壁的起源：两个相邻磁矩间的夹角越小交换能越低，因此两个磁畴之间不会出现陡峭的翻转，而是磁矩从一个方向逐渐转动到另一个方向，这一段过渡区域就是磁畴壁。这也是能量最小化的结果。畴壁能的大小与体系的交换能，各向异性能，应力能，退磁能都有关系。单畴：在大块材料中，多畴结构会使能量降低，如果材料的尺寸不断变小，直到临界尺寸以下，体系如果分畴，则畴壁能比退磁能更大，所以体系可以在一个方向自发磁化到饱和，形成单畴结构。磁化与反磁化：磁化：畴壁位移；磁畴转动。反磁化：畴壁位移；反磁化核形成；磁畴转动。矫顽力机理：畴壁位移的反磁化过程，产生矫顽力的机制有两种，畴壁钉扎和反磁化核的形成，矫顽力的大小取决于钉扎场或形核场。缺陷越多反磁化核越容易形成，因而矫顽力越低，但缺陷作为钉扎中心，缺陷越多，矫顽力也越高。具体以谁为主，取决于具体的材料。磁畴一致转动过程中，矫顽力的大小取决于各向异性场，可以通过能量最低的条件计算得到。一致转动模型推导磁滞回线：首先把体系的总能量写出来E=静磁能+各向异性能，求解平衡条件，即能量最小（一阶偏导等于零，二阶偏导大于零），可得M与H的关系铁磁共振：磁矩的进动方程：力矩，进动方程进动示意图：进动角速度：当磁场作用到磁性材料上时，在材料中所有磁性原子的磁矩都以相同频率进动而不管磁矩偏离磁场方向多少。因此，如果一个具有该频率的交变磁场沿垂直于静磁场的方向作用于材料上，将导致所有的磁性原子进动。铁磁材料中的磁矩一直在其位置上做进动，有一个固有频率，当外加的高频磁场与其频率一致的时候，会发生共振吸收。铁磁共振有很多应用（作业题）