固体磁性第一章

固体磁性

MAGNETISMINSOLIDS

曹庆琪Email:qqcao@Tel:83594127绪论 磁学是研究物质磁性的来源、规律及其应用的一门科学.磁学历史悠久，但又充满了青春活力1.磁学的发展历史

1.古代中国

管子、鬼谷子、韩非子、吕氏春秋、论衡等 “慈石召铁”、司南…… 沈括《梦溪笔谈》：指南针2.现代磁学发展

1820 奥斯特(HansChristianOersted，1777—1851):电流的磁效应

1831法拉第(MichaelFaraday1791－1867)：电磁感应现象

1895居里(PierreCurie,1859—1906):居里定律

1905 朗之万(P.Langevin，1872—1946):经典统计力学的应用

1907外斯(P.E.Weiss,1865—1940)：分子场理论、居里-外斯定律

1928海森堡（WernerKarlHeisenberg1901-1976）:交换作用

2.磁学的当前发展

60年代，稀土化合物及其合金；非晶态磁性40—50年代，铁氧体材料的发现磁光材料磁性薄膜、多层膜，纳米磁性材料有机铁磁体自旋电子学（巨磁电阻材料、稀磁半导体等）2007年度诺贝尔物理学奖－巨磁电阻效应

AlbertFert（法国）(1938-3-7)PeterGrünberg（德国）(1939-5-18)Fig1-1DevelopmentandbranchesofmagnetismOutlineofResearchesMagneticpropertiesMagnetotransportNano-particlesGMR/TMR/CMRNano-wires&ArrayHalf-metal,Semi-Magnetocaloric DilutedferromagneticMagneto-optical Si-basedDMS

Magnetostriction AnomalousHallEffectMultiferroicMaterials Organicsystem.

磁光电热

力磁的交叉耦合效应:磁－光、力、电、热、铁电、声、生物自旋电子学磁致收缩磁热效应磁光效应光磁效应霍尔效应CoeyJ.M.D.,J.Alloysandcompounds326(2001)2全球每年人平均磁性材料消耗量如下永磁铁氧体80克稀土永磁1克软磁铁氧体40克电工钢0.25m2非晶态磁性材料几厘米硬盘1/16th读出磁头1/8th软盘1/4磁带1m2常用的磁性材料硅钢MnZn,NiZn铁氧体非晶态NiFe,FeCo,CoCr薄膜Co-Fe2O3粉体CrO2粉体AlNiCoSmCo,NbFeB(Sr,Ba)铁氧体J.M.D.Coey,J.AlloysandCompounds326(2001)2－6，第一章

固体磁性分类及原子磁矩万物皆有磁性磁场无处不在生物:10-6,10-9Oe地磁场:10-3Oe天体磁场:10-8—1013Oe1.1固体磁性来源

运动电荷 基本粒子所固有的与它们的自旋相联系的磁矩1.1.1核子磁矩

质子、中子及其它一些基本粒子。相对较小，一般情况下可以忽略。质子：P=(2.792782±0.000017)MB中子：n=-(1.913139±0.00009)MB1.1.1孤立原子中的电子磁矩 1)电子自旋磁矩 2)单电子轨道磁矩3)孤立原子(离子)总磁矩，洪德规则原子的总角动量与总磁矩由所含电子的轨道与自旋的角动量耦合而成。罗素-桑德(Russell-Saunders)耦合，L-S耦合原子中被填满的电子壳层对原子固有磁矩无贡献原子固有磁矩来源于未满壳层的电子洪德规则：确定含有未满壳层的原子或离子基态的电子组态及总角动量的规则原子态:例子:Fe:3d64s2,Shell3d6l210-1-2

S=2,L=2J=2+2=4Nb:4d45s1,Shell4d45s1l210-1-20

d:S=2,L=2,s:S=1/2,L=0s+d:S=5/2,L=2,J=L-S=1/2,1-1-3固体中的原子1.绝缘体：局域化电子.(i)晶场效应(CFE)-晶场对晶体中的电子态有很大影响 磁性离子受周围离子所产生的静电场的作用 磁性离子中的电子波函数与近邻离子中的电子波函数重叠从而产生的交换效应(1)4f离子:弱晶场,Hund法则的三条原则都仍然成立

(2)3d离子:中等晶场,Hund法则的第一条仍然能够成立gJ2,

,高自旋态.(3)4d,5d离子:强晶场,Hund法则不成立,存在低自旋态(ii)磁性耦合=>磁有序2.金属(i)原子分成离子实和能带电子(也存在晶场作用).外层s,p:宽能带,d:窄能带,f:局域化.能带电子按能带能量重新分布.例::TM:Fe:(Ar)=>(Ar)FMPd:(Kr)=>(Kr)PMCu:(Ar)

=>(Ar)RE:4f局域化;Ac:能带和局域化.(ii)交换耦合=>磁有序或者增强

1-2磁性分类

1-2-1弱磁性

1.

抗磁性DM

<0,*不会饱和*通常状况下与H和T无关.*金属中,在低温下会随H改变发生震荡现象.

2.

顺磁性PM*>o*在高T/H条件下不会饱和,在通常H&T条件下与H无关.*在较低的T/H时,=(H),甚至可能饱和.*(T)=?,可能随温度变化增加、减小或不变.

3.反铁磁AFM*>0,类似顺磁.:T<TN(Neel温度):随T减小而减小.AFM;T>TN:PM;*T<磁有序,but=0,

1-2-2强磁性

*有磁滞回线,;易饱和.*:PM;;FM.*参数Mr,Hc.*变化,

4.

铁磁性FM:FM:磁矩自发平行排列.T>TC,PM.

5.亚铁磁性FIM:磁矩反平行排列，相邻磁矩大小不等Fig1-41-2-3其它磁性练习题1.利用洪德规则计算以下孤立原子和离子的磁矩:Mn,Fe,Co2+,Pr3+,Tb3+.2.G