《固体物理 Solid State Physics》课程讲义：第六章 固体的磁性 Magnesium of Solid Magnesium of Solid

固体的磁性 Magnesium of Solid

固体的磁性 Magnesium of Solid Magnesium of Solid

61引言 主要内容 囗磁性材料及固体磁性的历史 原子的磁性 磁性的分类及基本物质方程 交换作用及磁畴 铁磁物质的技术磁化 学习提示 重点掌握基本物理概念 理解和掌握交换作用 磁性的分类及基本物质方程 交换作用及磁畴

6.1 引言 ￾ 磁性材料及固体磁性的历史 ￾ 原子的磁性 ￾ 磁性的分类及基本物质方程 ￾ 交换作用及磁畴 ￾ 铁磁物质的技术磁化 主要内容 学习提示 ￾ 重点掌握基本物理概念 ￾ 理解和掌握交换作用 ￾ 磁性的分类及基本物质方程 ￾ 交换作用及磁畴

磁性材料及磁性的研究历史 19世纪前 指南针司马迁《史记》描述黄帝作战用 1086年宋朝沈括《梦溪笔谈》指南针的制造方法等 119年宋朝朱或《萍洲可谈》磁石罗盘用于航海的记载 最早的著作《 De magnete》 W Gibert 18世纪奥斯特电流产生磁场 19世纪法拉弟效应在磁场中运动导体产生电流 安培定律 电磁学基础 电动机、发电机等开创现代电气工业

磁性材料及磁性的研究历史 指南针 司马迁《史记》描述黄帝作战用 1086年 宋朝沈括《梦溪笔谈》指南针的制造方法等 1119年 宋朝朱或《萍洲可谈》磁石罗盘 用于航海的记载 最早的著作《De Magnete 》 W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场 19世纪 法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流 安培定律 电磁学基础 电动机、发电机等开创现代电气工业 19世纪前

磁性材料及磁性的研究历史 20世纪后 1907年 P Weiss的磁畴和分子场假说 1919年巴克豪森效应 1928年海森堡模型,用量子力学解释分子场起源 1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 1933年加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体 1935年荷兰 Snoek发明软磁铁氧体 1935年 Landau和ish考虑退磁场,理论上预言了磁畴结构 1946年 Bloembergen发现NMR效应 1948年Ne建立亚铁磁理论 1957年RKY相互作用的建立 1958年M6 ssbauer效应的发现 1965年Made和 Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970年SmC05稀土永磁材料的发现 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐 1986年高温超导体, Bednortz-muller 1988年巨磁电阻GMR的发现, MN Baibich 1994年CMR庞磁电阻的发现,Jn等 LacaMnO3 1995年隧道磁电阻TMR的发现 T Miyazaki

磁性材料及磁性的研究历史 1907 年 P.Weiss的磁畴和分子场假说 1919年 巴克豪森效应 1928年 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源 1931 年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体 1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 1935 年 Landau 和Lifshitz考虑退磁场, 理论上预言了磁畴结构 1946 年 Bioembergen发现NMR效应 1948 年 Neel建立亚铁磁理论 1957 年 RKKY相互作用的建立 1958 年 Mössbauer效应的发现 1965 年 Mader 和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970 年 SmCo5稀土永磁材料的发现 1984 年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川) 1986年 高温超导体，Bednortz-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 1994 年 CMR庞磁电阻的发现，Jin 等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki 20世纪后

62原子的磁性 角动量与磁矩 e L 2m 电子轨道磁矩电子自旋磁矩 1+1) 2m (+1) 磁矩m 电子自旋磁矩 ·电子轨道磁矩 s(g≈2) 角动量磁矩 H,=2ys(s+1 若原子只有一个未满壳层电子 e (+2) B 2m j=l+sj为电子的总角动量

6.2 原子的磁性 m 磁矩m: • 电子自旋磁矩 • 电子轨道磁矩 q 角动量 磁矩 若原子只有一个未满壳层电子 ( 2) ( ) 2 2 e e m m = − + =− + = + μ l s j s jls j 为电子的总角动量 电 子 轨 道 磁 矩 电 子 自 旋 磁 矩 2 ( 1) 2 ( 1) l l B e m e l l m l l μ μ = − = + = + μ L h ( 2) 2 2 ( 1) s s B e g m μ μ s s = − ≈ = + μ s g 角动量与磁矩 2 B e m μ = h

62原子的磁性 多电子原子的角动量 ρ在一个填满的电子壳层中,电子的轨道磁矩和自旋磁矩为零。 C在一个未填满的电子壳层中,电子的轨道和自旋磁矩将形成 个原子总磁矩。 总自旋角动量: 总轨道角动量: L=∑L 总角动量J

6.2 原子的磁性 总自旋角动量： S=∑si 总轨道角动量： L=∑li l 在一个填满的电子壳层中，电子的轨道磁矩和自旋磁矩为零。 l 在一个未填满的电子壳层中，电子的轨道和自旋磁矩将形成一 个原子总磁矩。 多电子原子的角动量 多电子原子的角动量 L S ？ 总角动量J

62原子的磁性 泡利原理与洪德法则 泡利原理:同一个量子数n,,m,s表征的量子状态只能有一个电子占据。 库仑相互作用:n,m表征的一个轨道上若有两个电子,库仑排斥势使系统能量提高 →因而一个空间勃道倾向只有一个电子占据。 洪德法则: (1)未满壳层的电子自旋s排列,泡利原理倾向一个轨道只被一个电子占据,而 原子内的自旋自旋间的相互作用使自旋平行排列,从而总自旋S取最大值。 (2)每个电子的轨道矢量l的排列,电子倾向于同样的方向绕核旋转,以避免靠 近而增加库仑排斥能,使总的轨道角动量L取最大值。(如3d电子,m-2时该轨道 磁矩在外场方向上的分量最大,轨道磁矩与外磁场平行能量最低,最稳定)。 (3)采用L和S间耦合计算原子总角动量 电子数n小于半满时J=LS 电子数n大于半满时J=L+S (洪德法则一般的描述只有()和2)项)

泡利原理： 同一个量子数n，l，m，s表征的量子状态只能有一个电子占据。 库仑相互作用：n,l,m 表征的一个轨道上若有两个电子，库仑排斥势使系统能量提高 →因而一个空间轨道倾向只有一个电子占据。 洪德法则： (1) 未满壳层的电子自旋si排列，泡利原理倾向一个轨道只被一个电子占据，而 原子内的自旋-自旋间的相互作用使自旋平行排列，从而总自旋S取最大值。 (2) 每个电子的轨道矢量li的排列，电子倾向于同样的方向绕核旋转，以避免靠 近而增加库仑排斥能，使总的轨道角动量L取 最大值。(如3d电子，m=2时该轨道 磁矩在外场方向上的分量最大，轨道磁矩与外磁场平行能量最低，最稳定)。 (3) 采用L和S间耦合计算原子总角动量 电子数n小于半满时 J= L-S， 电子数n大于半满时 J= L+S。 (洪德法则一般的描述只有(1)和(2)项) 6.2 原子的磁性 泡利原理与洪德法则 泡利原理与洪德法则

62原子的磁性 角动量L一S耦合举例 m H S个个个个个 个3 个√2 个个个 S L+S J=L-S J=L+S 图37 Russell- Saunders耦合 =1s=+

6.2 原子的磁性 S S m ⎯↑⎯⎯ ⎯↑⎯↓⎯ 3 ⎯↑⎯⎯ ⎯↑⎯↓⎯ 2 ⎯↑⎯⎯ ⎯↑⎯⎯ 1 ⎯↑⎯⎯ ⎯↑⎯⎯ 0 ⎯↑⎯⎯ ⎯↑⎯⎯ -1 ———— ⎯↑⎯⎯ -2 ———— ⎯↑⎯⎯ -3 L- S L+S µ=µL-µs µ=µL+µs J=L-S J=L+S 角动量L－S耦合举例

62原子的磁性 原子的有效磁矩及朗德g因子 =2m (L+2S S J=L+s e H=-8~J 2m 此 A g=1+ J(J+1)+S(S+1)-L(L+1) 2J/(+1)

6.2 原子的磁性 ( 2) 2 2 e m e g m =− + = + J = − μ L S J LS μ J 原子的有效磁矩及朗德 原子的有效磁矩及朗德g因子 ( 1) ( 1) ( 1) 1 2 ( 1) J J J J SS LL g J J μ ⋅ = ++ +− + = + + μ J S L J μL μS μJ μ

6.2原子的磁性 轨道角动量冻结 轨道角动量冻结的实验现象 在晶场中的3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁 矩,而电子的轨道磁矩没有贡献。此现象称为轨道角动量冻结。 轨道角动量冻结的物理机制 过渡金属的3d电子轨道暴露在外面,受晶场的控制。晶场的 值为102-10(cm-)大于自旋轨道耦合能(λ)10cm) 〗晶场对电子轨道的作用是库仑相互作用,因而对电子自旋不 起作用。随着3d电子的轨道能级在晶场作用下劈裂,轨道角 动量消失

6.2 原子的磁性 轨道角动量冻结的实验现象 轨道角动量冻结的实验现象 在晶场中的3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁 矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。此现象称为轨道角动量冻结。 轨道角动量冻结 轨道角动量冻结 轨道角动量冻结的物理机制 轨道角动量冻结的物理机制 ￾ 过渡金属的3d电子轨道暴露在外面，受晶场的控制。晶场的 值为102-104(cm-1)大于自旋-轨道耦合能(λ)102(cm-1). ￾ 晶场对电子轨道的作用是库仑相互作用，因而对电子自旋不 起作用。随着3d电子的轨道能级在晶场作用下劈裂，轨道角 动量消失