应用磁电子学：3-物质磁性种类

1、物质的各种磁性一、从抗磁性到离子顺磁性1、抗磁性源于电子轨道角动量转动吗？ 孤立磁矩在外磁场作用下的动力学方程（角动量定理）： 推出物理图像： Larmor precession抗磁性源自磁矩在反磁场方向转动产生的附加磁矩：（N为电子总数，x, y为电子坐标）存在问题：对基态氢原子，L=0，理论：无抗磁磁化率实验：存在抗磁磁化率，且符合上述公式。问题：抗磁性的真实来源？量级：107106问题的解决与离子顺磁性的引入：量子力学微扰理论原子内电子系统在外磁场下的Hamiltonian(CGS制):微扰项根据二级微扰理论可得总能量结论：抗磁性本质是量子力学能量一级微扰效应，源于磁场矢势的贡献。问题：

2、配分函数中的其余各项代表什么？对于一级微扰：其它几项的计算结果和物理含义：能量一级微扰中的（1）对于满壳层（无自发的原子磁矩：抗磁性）（2）对于未满壳层上式的物理意义前提：能量一级微扰+忽略更高级微扰和高次项结论：未满壳层原子磁矩在空间某方向（如磁场方向）上存在量子化的投影值，但这些投影值正负刚好相消，加权平均为0。注意：对于实际的磁矩系统，如何理解上述“加权平均”？单个磁矩：薛定谔的猫“死去活来”。多个磁矩：任意时刻取向杂乱无章。一个最简单的例子：自旋发现的SternGerlach实验。配分函数中的归纳离子顺磁性抗磁性抗磁性和离子顺磁性的本质：磁场矢势对自由电子能量的微扰效应二、从分子电流到

3、分子场 局域磁矩的铁磁性，亚铁磁性和反铁磁性引：物理学总是首先针对简单对象的简单问题开展研究。但是，实际物质往往是非常负责的。然而，物理学研究却可以让这些负责问题回归简单。离子顺磁性：假定原子磁矩之间没有相互作用某些物质：实验表明存在稳定的自发磁有序假定总角动量为1的100万个原子磁矩，某一时刻所以磁矩空间分量均为1的概率是：表明对某些物质，离子顺磁性的磁矩之间无相互作用的假设不成立！如何解释？量子力学产生之前：猜：有自发磁序的物质中存在强大的分子场。（Weiss, Nel）问题：分子场的本质和来源是什么？量子力学产生之后：证：More is different!从2H到H2：1+122H：H

4、2：e1(2)e2(1)nanbRr12rb1ra2计算结果（基态能量）：基态能量与自旋态关系从氢分子到局域磁矩系统 海森堡模型只考虑最近邻交换作用，任意两相邻原子之间交换作用相同很容易证明：表明分子场的实质是原子之间的交换作用的一种平均场近似。Dirac分子场量级：107 Oe (一般磁性测量仪器提供的场105 Oe)对于H2这种双原子情况，利用量子力学可以给出精确的基态解析解；对于多原子情况（如固体），情况复杂得多考虑分子场，则在外磁场H作用下，总磁场为H+WM利用量子统计，可得磁化强度M为：可得磁化强度随温度及磁场的变化（无法求出解析解，只能近似求解）计算结果和实验结果的比较：存在问题与

5、问题的解决：低温和居里点附近分子场理论计算结果与实验结果差别明显。思考：1. 当某自旋状态改变，其周围分子场是否能不受其影响而一成不变？2. 如果有影响，在居里点附近，影响范围有多大？问题的解决：基于1：自旋波理论基于2：朗道的平均场理论和标度理论以上只是针对最简单的简单自旋格子，实际物质则复杂得多：从简单格子到复杂格子；(2) 从直接交换到间接交换。（1）从简单格子到复杂格子回忆：H2的基态为自旋单重态，对应于J0：对应局域磁矩间的铁磁交换；F(x)相变温度：分子场理论； 温度相变温度：标度理论+平均场理论； 温度接近绝对零度：自旋波理论很多实际物质的磁矩并非最近邻，因而要用间接交换： 超交

6、换，双交换，RKKY交换等三、巡游电子磁性理论何为(近)自由电子？何为巡游电子？(近)自由电子：电子可出现在空间任意位置，电子之间库仑排斥可忽略；满足Kramers简并；以碱金属s电子为代表。巡游电子：电子的运动是从一个格点跳到另一个格点，逐个巡游。格点上电子对其库仑排斥不可忽略；不满足Kramers简并；以过渡金属的3d窄带电子为代表。（近）自由电子和巡游电子的理论描述一、（近）自由电子：单电子近似的Hamiltonian二、巡游电子：Hubbard模型斯通纳(Stoner)模型 Hubbard模型的Hartree-Fock近似根据Stoner模型分析巡游电子的磁性定性：过渡金属能带因为交换劈裂而产生自旋极化与自发磁化。Stoner激发：随着温度升高，热激发可以使得一种自旋的电子改变自旋方向进入另一自旋的子能带，从而减小劈裂宽度与磁化强度。定量：Stoner模型存在缺陷的原因及解决办法1. 原因：忽略了热激发