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自旋电子学笔记-张曙丰

时间:2022-08-19 06:30:01 30kr电阻电阻30kr470kr电阻jx非线性消谐电阻电阻071kl0762kl电阻

说明

本课程是2012年左右张曙丰的自旋电子课程,可查看网站
主要讲金属磁性材料的
基本知识!
简单目录:
1-5集是磁学的简单概念和相互作用。
磁动力学是6-10集。
11-18集是几个subject。
具体应用为19-21集。

::1

顺磁性:

随着时间的演变,材料磁性始终保持无序。
金属导电的电子顺磁性称为气泡顺磁性。

泡利顺磁性推导

(来源:铁磁学第一册P56)
在相空间中,每个体积都是 h 3 h^3 h3只有两个电子相格。单位体积中的电子数:
n = 2 × 4 3 π P F 3 / h 3 = 8 π 3 h 3 ( 2 m E F ) 3 / 2 = N ( E ) d E n=2\times \frac{4}{3}\pi P_F^3/h^3 = \frac{8\pi}{3h^3}(2mE_F)^{3/2} = N(E)dE n=2×34πPF3/h3=3h38π(2mEF)3/2=N(E)dE
其中 N ( E ) = 4 π h 3 ( 2 m ) 3 / 2 E 1 / 2 N(E)=\frac{4\pi}{h^3}(2m)^{3/2}E^{1/2} N(E)=h34π(2m)3/2E1/2,为电子按能量的分布,称为态密度。在 H = 0 , T = 0 K H=0,T=0K H=0,T=0K N + = N − N_+=N_- N+=N

当存在外磁场时时,磁场引起的能量变化为 μ H \mu H μH,因此只有费米面附近少量的电子才参与转移。
δ N + = 1 2 N μ B H \delta N_+ = \frac{1}{2}N\mu_B H δN+=21NμBH
δ N − = 1 2 N μ B H \delta N_- = \frac{1}{2}N\mu_B H δN=21NμBH
所以相应的磁化强度应为:
M = ( δ N + − δ N − ) μ B = N ( E F ) μ B 2 H M= (\delta N_+ - \delta N_-)\mu_B = N(E_F)\mu_B^2H M=(δN+δN)μB=N(EF)μB2H
所以顺磁磁化率为 χ 顺 电 子 = 12 m μ B 2 h 2 ( π 3 2 / 3 n 1 / 3 ) \chi_顺^电子=\frac{12m\mu_B^2}{h^2}(\frac{\pi}{3}^{2/3}n^{1/3}) χ=h212mμB2(3π2/3n1/3)

spin glass

主要体现在冻结上,依然是磁有序,但是不是所有的磁矩都有规律排列,微观看依旧是随机的,但是宏观有净磁矩。并且不随时间改变。有冻结温度 T f T_f Tf

超顺磁

随时间整体改变磁矩方向。

一般不考虑轨道角动量原因

对于轨道波函数的解: Y 2 , 1 Y_{2,1} Y2,1 Y 2 , − 1 Y_{2,-1} Y2,1总是在一起的,只能在小的范围内break掉。

海森堡模型

∑ i , j S i S j \sum\limits_{i,j} S_i S_j i,jSiSj
海森堡交换作用并不是磁偶极子相互作用。它的来源是电子的相互作用,库仑相互作用进一步来源于泡利不相容原理。
交换两个电子后,他们的波函数相反,这意味着,当轨道部分对称时,自旋部分必须反对称。当自旋部分对称时,轨道部分必须反对称。
由于单重态和三重态的存在会导致 overlap Coulomb integral
如果是相同的自旋,波函数如果想要在一起库仑相互作用就会增强。如果是相反的自旋,波函数要分开,库仑相互作用减弱。在固体里面原子靠得近,作用力很强!
假设哈密顿量
H = ( E 1 − E 2 ) S 2 2 + E 0 ∝ − J S i S j H = (E_1 - E_2)\frac{S^2}{2}+E_0 \propto -JS_iS_j H=(E1E2)2S2+E0JSiSj
考虑J的大小,当晶格常数比较大的时候,电子的库仑排斥也会见效,J减小。当晶格常数比较小的时候,电子间库仑相互作用比较强,J比较大。
还有各向异性的模型,Ising model这个主要是平面内各向同性,z方向各向异性。或者z方向加强磁场,能量比J还要大。

平均场理论

$M(T) = gS\mu_BB_s(gM(T)/K_BT) , 其 中 ,其中 B_s(x)$是布里渊函数。

自旋波理论

M ( T ) = M 0 − S ∑ k n k M(T) = M_0 - S\sum\limits_k n_k M(T)=M0Sknk
n k = 1 e ε − 1 n_k = \frac{1}{e^{\varepsilon}-1} nk=eε11
ε = J a 2 k 2 + g μ B H \varepsilon = Ja^2k^2+g\mu_BH ε=Ja2k2+gμBH

::2
在低温时使用自旋波理论,高温时使用平均场理论。
自旋波理论可以解释为什么有分数的 μ B \mu_B μB.
铁磁矩
μ = 2.2 μ B \mu = 2.2\mu_B μ=2.2μB
Co磁矩
μ = 1.6 μ B \mu = 1.6\mu_B μ=1.6μB
Ni磁矩
μ = 0.6 μ B \mu = 0.6\mu_B μ=0.6μB

自由电子模型

E k ∝ n ↓ 5 3 + n ↑ 5 3 E_k \propto n_{\downarrow}^{\frac{5}{3}}+n_{\uparrow}^{\frac{5}{3}} Ekn35+n35
E e x ∝ U n ↓ ↑ E_{ex} \propto U_{n_{\downarrow \uparrow}} Eex

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