应用磁电子学：2-磁学发展历史

1、磁学理论与应用的发展历程一、早期记载与应用（公元前17世纪）记载泰勒斯（古希腊，公元前76世纪）Magnetism磁学；Magnesia（发现磁石的地方）论衡王充（东汉）“顿牟掇芥，磁石引针”（发现电与磁在现象上的相似性）鬼谷子公元前4世纪“其察言也，不失若磁石之取针，舌之取燔骨”。应用指南针（用于航海，开拓世界市场）“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。” 萍洲可谈（北宋 朱彧）罗盘中国是否是最早发明国存在争议，中美洲奥尔梅克文明可能早100年。系统论著磁石书法国，皮埃德马立克，1269年论磁石英国，威廉吉尔伯特，1600年概括而言，这一阶段主要发现是磁体可以对轻质铁材料产生超距作

2、用（力或力矩）。二、电力时代（19世纪）发现电流的磁效应（奥斯特，安培，比奥，沙伐尔）交变磁场的电磁感应现象（法拉第）总结与推广麦克斯韦方程组（电，磁，光）应用发电机与电动机（电力革命！）三、承上启下：微观与量子时代（1820世纪）磁石和电流具有相似的性质，比如通电螺线管可以吸引铁钉。两者之间有何联系？磁石中是否也“暗藏”电流？类比环形导线电流产生的磁场安培：磁石中有以磁化矢量为轴宏观环形电流。（明显不靠谱，why?）菲涅耳：磁石中存在“分子电流”。分子电流假说是试图从微观角度解释铁磁体宏观磁现象的伟大尝试。存在问题：分子电流的本质是什么？分子电流是如何产生的？18世纪尚无原子结构的相关知识，

3、这些问题得不到解决。19世纪末电子被发现后，原子内部结构开始被关注玻尔行星模型量子力学电子运动的经典轨道图像被放弃，但电流仍然可以用量子力学机率流进行描述： ，从而可以推出轨道磁矩为：电子绕原子核做匀速圆周运动电流： 磁矩：分子电流？依然存在问题：电子的这种圆周运动的轨道可能是稳定的吗？在磁场下的响应为：表明所谓“分子电流”实质是电子的量子力学几率流，磁矩源于电子量子化轨道运动。但是，问题又出来了。以基态氢原子为例：经典：有磁矩量子：无磁矩（s态的l=0，l与m应该均为零）实验：1925年Stern, Gerlach：既不经典，量子得也很另类。引入自旋（不是电子自转）角动量s1/2，ms1/2

4、，1/2。（事实上Dirac通过相对论量子力学方程也可预测其存在）1925年自旋的发现意义非常重大，以至于不得不再啰嗦几句： 即使没有轨道磁矩，没有所谓的“分子电流”，依然可以通过调控自旋状态使物质表现出明显的磁性。这是自旋电子学的重要思想。 发现自旋的实验是将一束s电子通过外加磁场分裂为两束分别具有单一自旋态的电子。分裂后的每一束电子都可以看成最早的自旋极化电流。这种自旋极化电流的产生方法也是自旋电子学的关键问题。综上所述：电子量子化的轨道运动和自旋是物质磁性的一个微观起源。多电子原子磁矩的确定：Pauli不相容原理；Hund规则；L-S耦合；J-J耦合在此基础上，20世纪对物质的各种特殊磁

5、性（见下图）开展了系统研究：/wiki/%E7%A3%81归纳起来，物质磁性的来源主要分为两类:1、局域的电子磁矩（量子化的轨道运动和自旋）2、传导电子的自旋极化量子力学是研究基于局域磁矩磁性的基础：抗磁性；离子顺磁性；van-cleek顺磁性（微扰理论）局域磁矩的铁磁性；亚铁磁性；反铁磁性（交换作用理论）自旋波（二次量子化理论）固体物理的能带理论是研究基于传导电子磁性的基础：Pauli顺磁性；过渡金属的巡游电子铁磁性还有一个问题：以上两种磁性理论可否统一？19世纪磁场理论和20世纪铁磁理论的结合磁化理论 静磁学：原因 结果（磁滞回线）磁化动力学：原因 ？ 结果交流磁化：微波铁氧体；不同频段的

6、各种共振吸收应用：各种磁性材料和功能器件的研发（20世纪）硅钢（1900）；破莫合金（1920）；AlNiCo（1932）；软磁铁氧体（30年代）；磁铅石永磁铁氧体（1952）；石榴石微波铁氧体（1956）；Sm-Co合金（六、七十年代）；Nd2Fe14B永磁合金（1982）四、纳米时代（20世纪中叶至今）“There is plenty of room at the bottom.” Richard P. FeynmanI (1959)“Indeed plenty in nano-sized magnetism”Yue Zhang (2012)硬盘商家做活动：一折起纳米磁性材料：颗粒；薄膜；纳米线相关理论与应用（前景）1、单磁畴理论（S-W模型） 生物检测，航空航天（超顺磁性纳米颗粒或磁性液体） 信息存储（BPM；自旋逻辑器件）2、RKKY间接交换作用 信息存储（GMR硬盘读头），稀磁半导体3、自旋极化电子的注入与输运 信息存储（磁性半导体；GMR与TMR；MRAM；STT- RAM；STO） 传感器（GMR与TMR）