（凝聚态物理专业论文）强场低温条件下烯土石榴石磁特性的机理研究.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：筮盘日期： 塑! ：塑： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 z 作者签名：亟型 日期： 丝尘：塑： 导师签名： 日期：鲨坠量主l 学位论文数据集 中图分类号0 4 6 9学科分类号l4 0 5 0 6 5 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 11 0 9 7 4 密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化i ：人学 作者姓名岳元学号2 0 0 8 0 0 0 9 7 4 获。学位专业名称凝聚态物理获学位专业代码0 7 0 2 0 5 北京化l ：人学校青年基 课题来源研究方向 稀十f i 榴f i 磁特性 会；网家f l 然科学基金 论文题目强场低温条什卜稀十f i 榴f i 磁特性的机理研究 关键词磁各向异性，磁化强度，交换作j j ，品场作刚 论文答辩日期 2 0 ll 一5 2 l 宰论文类犁开发研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称i ：作单位学科专k 指导教师 _ 干维 讲师北京化i ：人学磁学和磁性材料 评阅人1卜胜利副教授上海理l ：人学物理学 评阅人2孟庆云教授北京化1 ：人学物理 评阅人3刘丽敏副教授北京化i ：人学光。学 评阅人4 答辩委员会主席 陈信义 教授清华人学 凝聚态物理 答辩委员1 曹茂盛教授北京理i ：人学 凝聚态物理 答辩委员2 盛新忠教授北京交通人学 凝聚态物理 答辩委员3 祁欣教授北京化l ：人学 凝聚态物理 答辩委员4 孟庆云教授北京化1 ：人学 凝聚态物理 答辩委员5 丁迎春教授北京化j ：人学 凝聚态物理 答辩委员6 荆坚教授北京化j 二人学 凝聚态物理 注：一论文类型：1 基础研究2 应川研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图l5 资料分类法查洵。 三学科分类号在中华人比共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中奄询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 强场低温条件下稀土石榴石磁特性的机理研究 摘要 木篇论文主要通过半经典唯象理论和量子理论，对极端条件( 强磁场 低温条件) 下镨镓石榴石( p r g a g ) 、镝镓石榴石( d y g a g ) 和镱铁石榴 石( y b i g ) 的磁特性进行了理论研究。 近年来，对强磁场、低温等极端条件下，稀土石榴石材料磁特性的理 论研究逐渐成为磁学研究领域的一个热点。在实验室口j 以达剑的强磁场和 低温范围内，磁学：工作者对稀土石榴石磁性材料进行实验探索。研究结果 表明，某些磁性材料在极端条件下所呈现出的磁化特性与非极端条件不 同。部分稀土石榴石磁性材料在极端条件下，磁化强度m 与外磁场h e 之 问呈现出复杂的非线性关系，并且，随着外磁场的增强，某些顺磁性稀土 石榴石磁性材料的磁化强度m 表现磁饱和性和各向异性特征。本篇论文 将结合这些稀土石榴石材料在极端条件下的实验现象，运用经典唯象理论 和量子理论对其磁特性机理进行理论研究。 基于经典唯象理论和量子理论，本篇论文结合晶场理沦、塞曼效应理 论、磁性各向异性理论以及k r a m e r s 定理，考虑晶场作用、外磁场作用和 交换作用，研究了极端条件下p r g a g 、d y g a g 和y b i g 的磁特性。通过 分析p r g a g 、d y g a g 和y b i g 晶体结构，在晶场理论的基础上，讨论了 这类稀土石榴石材料的磁各向异性，磁饱和特性，磁化率的温度特性等磁 行为，并在晶场理论和交换作用理论的基础上，对p r g a g 、d y g a g 和y b i g 的磁化强度场相关特性、分子场系数以及与分子场有关的交换作用系数进 行了进一步的理论研究。 在对顺磁性稀土镓石榴石( p r g a g 和d y g a g ) 以及亚铁磁性稀土铁石 榴石( y b i g ) 材料的磁特性的理论计算过程中，研究发现晶场参数的选 北京化丁人学帧i j 学位论文 择直接影响着材料的最低能级及相应波函数的数值，由此，理论认为晶场 参数的确定对材料磁特性的计算极为重要。文中我们针对不同石榴石晶场 系数的选取进行了详细的理论分析，比较了不同晶场系数的选取对材料磁 特性的影响。在合适晶场系数选取的基础，进一步分析了外磁场和交换作 用对极端条件下稀土石榴石材料的磁化行为的影响，分别应用经典理论和 量子理沦探讨了交换作用对材料磁特性的贡献，说明了交换作用对稀土石 榴石材料的磁特性的影响不可忽略。计算中，我们将理论与实验进行比较， 得到了与实验吻合较好的计算结果，也进一步说明了我们理论分析的正确 性。本文对极端条件下稀土石榴石材料磁特性的机理研究，将进一步为极 端条件下稀土石榴石材料磁特性的实验研究提供理论指导，同时，也将进 一步拓展极端条件下的材料磁特性理论。 关键词：磁性各向异性，磁化强度，交换作用，晶场作用 a b s t r a c t m a g n e t i cp r o p e r t i e so fr a r e e a r t hg a r n e t u n d e rh i g hm a g n e t i cf i e l da n dl o w t e m p e r a t u r e s a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fp r a s e o d y m i u m g a l l i u mg a r n e t ，d y s p r o s i u mg a l l i u mg a r n e ta n dy t t r i u mi r o ng a r n e tt h r o u g h s e m i c l a s s i c a lp h e n o m e n o l o g i c a l t h e o r y a n dq u a n t u mt h e o r yu n d e rt h e e x t r e m ec o n d i t i o n s ( h i g hm a g n e t i cf i e l da n dl o wt e m p e r a t u r e s ) d u r i n gr e c e n ty e a r s ，m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h es t u d yo ft h e m a g n e t i cp r o p e r t i e so fr a r e e a r t hg a r n e tm a t e r i a l si nt h eh i g hm a g n e t i cf i e l d a n dl o wt e m p e r a t u r e so ro t h e re x t r e m ec o n d i t i o n s w i t h i nt h em a x i m u m d e g r e et h a t c a nb em e tw i t hi nt h el a b o r a t o r yu n d e rav a r i e t yo fe x t r e m e c o n d i t i o n s ，t h es c i e n t i s t sw h oe x p e r i m e n t a l l ys t u d ym a g n e t i cp r o p e r t i e so nt h e r a r ee a r t hm a g n e t i cg a r n e t s i ti ss h o w nt h a tt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fs o m e m a g n e t i cm a t e r i a l sa r ed i f f e r e n tb e t w e e ne x t r e m ec o n d i t i o n sa n dn o n e x t r e m e c o n d i t i o n s u n d e rt h ee x t r e m ec o n d i t i o n s ( s t r o n gm a g n e t i cf i e l d sa n dl o w t e m p e r a t u r e s ) ，t h er e l a t i o n s h i p so fm a g n e t i z a t i o na n de x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d i ns o m er a r e - e a r t h m a g n e t i c m a t e r i a l s p r e s e n t a c o m p l e x n o n - l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s m e a n w h i l e ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ，t h e s a t u r a t i o na n dt h ea n i s o t r o p i cp r o p e r t i e so ft h em a g n e t i z a t i o ni ns o m er a r e e a r t hg a r n e t sa r eg r a d u a l l yi n c r e a s e d i na d d i t i o n ，t h ea n a l y s e so ft h ee f f e c to f c r y s t a lf i e l da n dt h ee x c h a n g ei n t e r a c t i o no nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h e 北京化t 人学坝l ：学位论义 r a r e - e a r t hm a g n e t i cg a r n e ta r ed i s c u s s e d o nt h eo t h e rh a n d ，b a s e do nt h ec l a s s i c a lp h e n o m e n o l o g i c a lt h e o r ya n d t h eq u a n t u mt h e o r y , t h i sp a p e rw i l lf u r t h e rs t u d yt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so f r a r e e a r t h g a r n e t f u r t h e r , t h e c a l c u l a t e dr e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t so ft h er a r e e a r t h m a g n e t i cm a t e r i a l s u n d e re x t r e m e c o n d i t i o n s ( s t r o n gm a g n e t i cf i e l d sa n dl o wt e m p e r a t u r e s ) h e r e ，t a k i n g t h ec r y s t a l f i e l d ，e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da n de x c h a n g e i n t e r a c t i o ni n t o a c c o u n t ，ad e e pt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n o nt h e m a g n e t i c p r o p e r t i e so fp r g a g , d y g a ga n dy b i gb yt h ec l a s s i c a lp h e n o m e n o l o g i c a l t h e o r ya n dq u a n t u mt h e o r y , a r ep r e s e n t e d h e r e ，o u rc a l c u l a t i o n sa r eb a s e do n t h ec r y s t a lf i e l dt h e o r y , t h ez e e m a ne f f e c tt h e o r y , t h eq u a n t u mt h e o r yo f m a g n e t i ca n i s o t r o p ya n dt h et h e o r yo fk r a m e r st h e o r e ma tt h es i t u a t i o no f e x t r e m ec o n d i t i o n s f i r s t l y , t h em a g n e t i ca n i s o t r o p y , m a g n e t i cs a t u r a t i o na n d t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yh a v eb e e nd i s c u s s e d b ya n a l y z i n gt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fp r g a g , d y g a ga n dy b i gi nt h eb a s i so f c r y s t a lf i e l dt h e o r y m o r e o v e r , w i t ht h es p e c i a lc o n s i d e r a t i o no fc r y s t a lf i e l d e f f e c ta n dt h ee x c h a n g e i n t e r a c t i o n ，t h ec o e f f i c i e n ta s s o c i a t e dw i t ht h e m o l e c u l a rf i e l da n de x c h a n g ei n t e r a c t i o nf i e l d ，t h em a g n e t i ca n i s o t r o p ya n d t h em a g n e t i z a t i o no f p r g a g , d y g a g a n dy b i ga r es t u d i e di nd e t a i l i nt h er e s e a r c ho fm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ep a r a m a g n e t i cr a r ee a r t h g a l l i u mg a r n e t ( p r g a ga n dd y g a g ) a n dt h ef e r r i m a g n e t i cr a r e e a r t hi r o n g a r n e t ( y b i g ) ，i ti sf o u n dt h a tt h ec r y s t a lf i e l dp a r a m e t e r sc a nd i r e c t l ya f f e c t t h el o w e s tm a g n e t i ce n e r g yl e v e l sa n dw a v ef u n c t i o n s t h e r e f o r e ，w h a tc a nb e s e e ni st h a tt h ed e t e r m i n a t i o no fc r y s t a lf i e l dp a r a m e t e r sh a sg r e a te f f e c t so n t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fi t sm a g n e t i cp r o p e r t i e s t h em e t h o du s e di nt h e p a p e ri st os e l e c tt h em o s ts u i t a b l es e to fc r y s t a lf i e l dp a r a m e t e r sf i r s t ，t h e n s t u d yf u r t h e ra b o u tt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fr a r ee a r t hg a m e tm a t e r i a l s t h e o r e t i c a l l y , w i t ht h ec o m b i n a t i o no fc r y s t a lf i e l da n de x c h a n g ei n t e r a c t i o n ， u n d e rt h ee x t r e m ec o n d i t i o n s ( s t r o n gm a g n e t i cf i e l d sa n dl o wt e m p e r a t u r e s ) i v a b s t r a c t t h e n ，t h ee f f e c t so ft h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d sa n de x c h a n g ei n t e r a c t i o nf i e l d o nt h em a g n e t i cb e h a v i o r su n d e re x t r e m ec o n d i t i o n sa r ed i s c u s s e dt h r o u g ht h e a p p l i c a t i o no fc l a s s i c a lt h e o r ya n dq u a n t u mt h e o r y t h et h e o r e t i c a lr e s u l t s s h o wt h a tt h e f i e l d - d e p e n d e n c e a n d t e m p e r a t u r e - d e p e n d e n c e o ft h e m a g n e t i z a t i o np e r f e c t l yf i tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lc u r v e s ，w h i c hf u r t h e rp r o v e s t h ec o r r e c t n e s so fo u rt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s m e a n w h i l e ，i t f u r t h e r i l l u m i n a t e st h a tt h eu n - n e g l e c t e de f f e c t so fe x c h a n g ei n t e r a c t i o nd u r i n gt h e c a l c u l a t i o n so ft h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fr a r ee a r t hg a r n e t s i nt h em e a nt i m e ， af u r t h e rd i s c u s si nd e t a i lo nt h em a g n e t i z a t i o n ，t h ec o e f f i c i e n to fm o l e c u l a r f i e l d ，t h ec o e f f i c i e n to fe x c h a n g ei n t e r a c t i o nt h a tr e l a t e do nm o l e c u l a rf i e l d a n dm a g n e t i ca n i s o t r o p yo fp r g a g , d y g a ga n dy b l gh a sb e e nh o l d h e r e ，i t s h o u l db ep o i n t e do u tt h a tt h i ss t u d yc a np r e s e n tag u i d a n c eo fe x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho fm a g n e t o - o p t i c a lr a r e e a r t h g a r n e t s u n d e re x t r e m ec o n d i t i o n s a d d i t i o n l y , o u rt h e o r e t i c a la n a l y s e so fr a r e e a r t hg a r n e t sw i l lf u r t h e rh e l pt o e x p l o r et h em a g n e t i ct h e o r yu n d e re x t r e m ec o n d i t i o n s k e y w o r d s ：m a g n e t i ca n i s o t r o p y , m a g n e t i z a t i o n ，e x c h a n g e ，c r y s t a lf i e l d v 北京化t 人学f l ! ! l j 学位论义 日录 目录 第一章绪论1 1 1本课题研究的意义及目的1 1 2材料磁性的分类1 1 3磁性材料磁特性研究历史、现状和自，j 沿发展3 1 3 1 磁性材料的研究和发展3 1 3 2 物质磁性理论的研究和发展6 1 4本课题研究的主要内容7 第二章理论计算方法9 2 1经典唯象理论9 2 1 1 朗之力理论9 2 1 2 半经典理论9 2 1 3 交换作用有效场1 0 2 1 4 镝镓石榴石磁特性的理论计算1 1 2 2量子理论1 2 2 2 1 晶场理论1 2 2 2 2 磁性各向异性1 2 2 2 3 塞曼效应1 3 2 2 4k r a m e r s 定理1 3 2 2 5 不可约张最算符1 3 2 2 6w i g n e r e c k a r k 定理1 4 2 2 7 矢量耦合系数( 3 j 和6 j 符号) 1 5 2 2 8 交换作用1 6 2 2 9 量子理论计算1 6 第三章强磁场低温条件下稀土石榴石磁特性1 9 3 1强磁场低温条件下镨镓石榴石磁特性研究1 9 v l i 北京化_ i 人学坝i ：学位论文 3 1 1 晶场作用对镨镓石榴石磁化强度的影响1 9 3 1 2 外磁场对镨镓石榴石磁化强度的影响2 2 3 1 3 交换作用对镨镓石榴石磁化强度的影响2 4 3 2强磁场低温条件下镝镓石榴石磁特性研究2 6 3 2 1 晶场作用对镝镓石榴石磁化强度的影响2 6 3 2 2 交换作用对镝镓石榴石磁化强度的研究2 8 3 2 3 运用经典唯象理论对镝镓石榴石磁化强度的研究3 2 3 3强磁场低温条件下镱铁石榴石磁特性研究3 8 3 3 1 晶场作用对镱铁石榴石磁化强度的影响3 8 3 3 2 交换作用对镱铁石榴石磁化强度的影响4 l 第四章论文总结4 5 参考文献4 7 v i i c o n t e n t s c h a r p t e r1 p r e f a c e i 1 1t h em e a n i n ga n dp u r p o s eo f t h er e s e a r c h 1 1 2c l a s s i f i c a t i o no fm a g n e t i cm a t e r i a l s 1 1 3t h ed e v e l o p m e n to ft h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fm a g n e t i cm a t e r i a l s 3 1 3 1t h ed e v e l o p m e n to fm a g n e t i cm a t e r i a l s 3 1 3 2t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h et h e o r yo f m a g n e t i cm a t e r i a l s 6 1 4t h em a i nc o n t e n to ft h i sr e s e a r c h 7 c h a r p t e r2 t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n 9 2 1c l a s s i c a lp h e n o m e n o l o g i c a lt h e o r y 9 2 1 1 l a n g e v i nt h e o r y 9 2 1 2s e m i c l a s s i c a lt h e o r y 9 2 1 3 e x c h a n g ee f f e c t i v ef i e l d 1 0 2 1 4t h ec a l c u l a t i o no fm a g n e t i cp r o p e r t i e so fd y s p r o s i u mg a l l i u mg a r n e t 11 2 2 q u a n t u mt h e o r y 1 2 2 2 1t h et h e o r yo f c r y s t a lf i e l d 1 2 2 2 2 m a g n e t i ca n i s o t r o p y 1 2 2 2 3z e e m a ne f f e c t 13 2 2 4 k r a m e r st h e o r e m 1 3 2 2 5 i r r e d u c i b l et e n s o ro p e r a t o r 1 3 2 2 6w i g n e r - e c k a r kt h e o r e m 1 4 2 2 7 v e c t o rc o u p l i n gc o e f f i c i e n t s ( 3 ja n d6 js y m b o l s ) 1 5 2 2 8 e x c h a n g ee f f e c t 1 5 2 2 9t h ec a l c u l a t i o no f q u a n t u mt h e o r y 1 6 c h a r p t e r3m a g n e t i cp r o p e r t i e so fr a r e e a r t hg a r n e tu n d e rh i g h m a g n e t i cf i e l da n dl o wt e m p e r a t u r e s 1 9 3 1 m a g n e t i cp r o p e r t i e so fp r g a g u n d e rh i g l lm a g n e t i cf i e l da n dl o wt e m p e r a t u r e s 19 3 1 1 c r y s t a lf i e l de f f e c t so nt h em a g n e t i z a t i o no f p r g a g 1 9 v i i i 北京化t 火学硕f ：学位论文 3 1 2t h em a g n e t i cf i e l de f f e c t so nt h em a g n e t i z a t i o no f p r g a g 2 2 3 1 3 e x c h a n g ee f f e c t so nt h em a g n e t i z a t i o no f p r g a g 2 4 3 2 m a g n e t i cp r o p e r t i e so fd y g a gu n d e rh i g hm a g n e t i cf i e l da n d l o wt e m p e r a t u r e s 2 6 3 2 1 c r y s t a lf i e l de f f e c t so nt h em a g n e t i z a t i o no f d y g a g 2 6 3 2 2 e x c h a n g ee f f e c t so nt h em a g n e t i z a t i o no f d y g a g 2 8 3 2 3t h ec l a s s i c a lp h e n o m e n o l o g i c a lt h e o r ye f f e c t so nt h em a g n e t i z a t i o no fd y g a g 3 2 3 3 m a g n e t i cp r o p e r t i e so f y b l gu n d e rh i g hm a g n e t i cf i e l da n dl o wt e m p e r a t u r e s 3 8 3 3 1 c r y s t a lf i e l de f f e c t so nt h em a g n e t i z a t i o no f y b l g 3 8 3 3 2 e x c h a n g ee f f e c t so nt h em a g n e t i z a t i o no f y b l g 4 1 c h a r p t e r4 c o n c l u s i o n s 4 1 ； r e f e r e n c e z 1 7 l x 符吁说明 符号说明 总量子数 轨道量子数 自旋量子数 总角动量量子数 外磁场 磁化强度 磁矩 能量 玻尔兹曼常数 外磁场h 。与磁矩的夹角 沿外磁场h 。方向上的最大投影值 有效场哈密顿量 晶场哈密顿量 各向异有效场哈密顿量 交换作用哈密顿量 外磁场哈密顿量 分子场系数 磁性材料的磁化率 与分子场有关的交换作用系数 磁次品格a 的磁化强度 磁次晶格b 的磁化强度 相同磁次品格l 日j 的交换作用系数 相同磁次品格问的交换作用系数 不同磁磁品格问的交换作用系数 不同磁磁品格f h j 的交换作用系数 x z ， 旷 动 “ p a b a b b 峨 n 呐 弧 j 也 m p e b 口 h h h h h 五 z y m m h h h h 北京化t 大学硕i ：学位论文 作用在磁次晶格a 上的总有效场 作用在磁次晶格b 上的总有效场 磁次品格a 的离子的磁化率 磁次品格b 的离子的磁化率 朗德因子 玻尔磁子 磁次晶格a 单位体积内对磁矩有贡献的离子数 磁次晶格b 单位体积内对磁矩有贡献的离子数 磁次品格a 的布罩渊函数 磁次品格b 的布里渊函数 作用在磁次晶格a 上的总有效场 作用在磁次品格b 上的总有效场 磁次品格a 的饱和磁化强度 磁次品格b 的饱和磁化强度 本征函数 复共轭本征函数 直角坐标系内的矢量算符的三个分量之一 直角坐标系内的矢量算符的三个分量之一 直角坐标系内的矢量算符的三个分量之一 不可约张量算符 有效磁化率 晶场参数 单电子轨道张量 球谐函数 波函数 晶场能级 稀土离子磁化强度 x l 以勖 卧缈。缈 u v w k锄谚例& 符号说明 沿磁场方向轨道角动量 沿磁场方向自旋角动量 基态波函数 对全部基态求和 基态劈裂能级的能量 稀土离子占据基态能级的概率 x i l 、 j k cj；)b 以 北京化t 人学硕i j 学位论文 x l l i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的意义及目的 伴随科学技术的发展，人类将对客观世界的研究已逐渐从其自然状态下的分析研 究，逐渐趋于对其在极端条件下的实验研究。山此，研究极端条件下物质的各种特性 已成为当 j ，j 凝聚念物理的研究热点之一 1 1 。2 0 0 6 年在我闷颁佰的幽家中长期科学 和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中，也将在极端条件( 强磁场低温) 下的基础 科学研究作为具有团家重大战略需求的基础科学研究，国家自然科学基金“十一五” 发腱舰划中也明确指出将“极端条件下物质特一f ，# 研究”作为优先发展的研究领域。在 磁性材料和磁学的研究领域，强磁场、低温等极端条件的实现，使强磁场、低温条件 下材料的磁性研究成为当自仃磁学研究者研究的焦点。因此，本论文对极端条件( 强磁 场低温条件) 下稀土石榴石材料磁特性的理论研究具有重要的战略意义和研究价值。 稀土石榴石材料具有饱和磁场小、均匀性和稳定性好、磁光效应大，材料的物理 和化学性质良好，以及在近红外波段光吸收好的优点，已经成为当今研究领域中最具 发展潜质的一种磁光材料。对于稀土石榴石最初的认谚 始于1 9 5 8 年，狄龙最先发现 了钇铁石榴石材料，距今已有五十多年。五十多年来，稀土石榴石已获得了广泛而深 入的理论与实验研究。近年来，基于其磁光特性制成的具有光调制、光存储、光隔离、 光显示、光丌关、光偏频、光偏转、光信息处理、光录像、光复制以及其它电、光、 磁转换功能的磁光器件也得至0 了广泛的应用。 然i 面，由于稀土石榴钉磁性和磁光特性具有比较复杂的产生机理，因此关于这类 稀上石榴石磁特性和磁光特性的理沦研究工作，整体上滞后于实验研究。目自仃，对于 稀土石榴石材料的磁特性方【鲥拘研究中仍然存在棘手的问题，比如某些顺磁性材料的 强磁场下磁饱和特性，特殊的磁化温度曲线，磁化场相关的非线性特性等，对其产生 的微观机理仍不清楚。本篇沦文将应用经典和量子理论研究稀土石榴石强磁场低温条 件下的磁特性，揭示其磁特性产生的微观机制。本论文的研究对进一步推动极端条件 下材料磁性理论的发展，对于新型稀土石榴石材料的研制将具有很强的指导意义。 1 2 材料磁性的分类 科学研究表明，物质的基本属性之一是磁性。从宏观角度来看，系统的磁性被 认为是当外磁场发生变化时，这个系统的能量随外磁场的变化而改变的现象。物质的 元磁矩是由于系统物质中的带电粒子耿向无序或有序运动而产生的。当这些物质的元 磁矩取向为有序时，即形成了从微观角度来看的物质的磁性。原子的磁矩是产生物质 北京化r 人学坝i ：学位论文 磁性的根本来源。原子的磁矩则是源于原子中的原子核及电子。在原子中，原子核的 质量远远大于电子，也就是说，原子核的磁矩远远小于电子的磁距，因此，一般在研 究物质的磁特性的工作中，原子核的磁矩往往可以忽略。电子的磁距由两部分而构成， 分别为轨道磁矩以及自旋磁矩，这两部分之和即构成了原子的总磁矩。物质的磁性是 以原子中的电子结构为基础的。原子电子壳层的结构规律理论表明，原子中位于某一 壳层上的电子，具有相同的总量子数为n ，对应这一个总量子数n ，存在n 个轨道角 动量量子数1 ( 1 = 0 n 1 ) ，而对应一个轨道角动量量子数l ，轨道量子数m j ( m j = 1 1 ) 则可以有2 j + 1 个，对应的每一个m i ，又存在2 个白旋量子数m 。，并且m 。= 1 2 ，由此 可见，对于每一个总量子数n ，可以包含的最多的电子数为n = 1 2 ( 2 l + 1 ) = 2 n 2 。假设 一个原子壳层为m ，其三个次壳层分别为s ( 1 = 0 ) ，p ( 1 = 1 ) 以及d ( 1 = 2 ) 。若壳层d 的1 8 个位置均被占满，那么，他的自旋磁矩和轨道磁矩全部为零，即这个d 壳层不 存在净磁矩。相反，若壳层d 的位置没有被占满，即壳层有空位，那么，他就会表现 出净磁矩，不同数目的空位对净磁矩大小的影响各不相同。处于不同化合念下的原子， 无论是气态或者固态或者其他状态，都会具有不相同的电子结构，因此，这些原子便 会表现出不同的磁化特性【2 j 。 依据特点的差异，可以将物质的磁性分为两大种类，分别为强磁性和弱磁性。 所谓强磁性是指，不需外加磁场的作用依然可以存在自发磁化的磁特性。为了研 究方便，通常将有限大的物质划分成许多小的区域，在这些不同的区域内，物质的自 发磁化的方向并不相同。在没有外磁场的条件下，物质的不同方向的磁矩趋于相互抵 消，系统内的总磁矩趋近于零，而这些小的区域并定义为磁畴。将物质置于某- - # b j j h 磁场内，各个磁畴的磁矩受- n # b j j h 磁场的作用，向外加磁场的方向转动，这样对外则 表现出物质的较强宏观磁性。根据自发磁化的方式不同，强磁性又可分为反铁磁性， 铁磁性，螺磁性以及亚铁磁性等。除了反铁磁性以外，其他磁性可被统称为铁磁性。 铁磁性并不只是单独某个原子的磁性，他与物质材料的固有结构具有更加密切的关