برهمکنش تبادلی و فرومغناطیس
فرومغناطیس، یعنی همراستایی خودبهخودی اسپینها که یک آهنربای دائمی را ایجاد میکند، نه توسط نیروهای مغناطیسی ضعیف، بلکه توسط برهمکنش تبادلی کوانتومی ریشهدار در اصل پاولی هدایت میشود.
Definition
برهمکنش تبادلی یک کوپلینگ مؤثر وابسته به اسپین است که از دافعه کولنی محدود شده توسط اصل پاولی نشأت میگیرد و همراستایی موازی (فرومغناطیسی) یا پادموازی اسپین را ترجیح میدهد؛ فرومغناطیس فازی است که زیر دمای کوری قرار دارد و در آن تبادل، مغناطش خودبهخودی و منظم تولید میکند.
Scope
این موضوع منشأ میکروسکوپی نظم فرومغناطیسی را پوشش میدهد: برهمکنش تبادلی ناشی از تعامل دافعه کولنی و اصل طرد پاولی، هامیلتونی اسپین هایزنبرگ، نظریه میدان مولکولی وایس (نظریه میدان میانگین) دمای کوری، و مغناطش خودبهخودی، دامنههای مغناطیسی و پسماند حاصل. این موضوع توضیح میدهد که چرا تبادل بر نیروهای دوقطبی غالب است و چگونه گذار به حالت پارامغناطیسی در نقطه کوری رخ میدهد.
Core questions
- چرا برهمکنش تبادلی، و نه نیروهای دوقطبی مغناطیسی، مسئول فرومغناطیس است؟
- مدل هایزنبرگ چگونه تبادل را به عنوان یک کوپلینگ اسپین-اسپین کدگذاری میکند؟
- نظریه میدان مولکولی وایس چگونه دمای کوری و مغناطش خودبهخودی را پیشبینی میکند؟
- چرا فرومغناطیسها دامنهها را تشکیل میدهند و پسماند از خود نشان میدهند؟
Key concepts
- برهمکنش تبادلی و اصل پاولی
- هامیلتونی اسپین هایزنبرگ
- نظریه میدان مولکولی وایس
- مغناطش خودبهخودی و دمای کوری
- دامنههای مغناطیسی و پسماند
Key theories
- مدل تبادلی هایزنبرگ
- هایزنبرگ انرژی تبادلی را به عنوان یک کوپلینگ بین اسپینهای همسایه بیان کرد؛ یک ثابت تبادلی مثبت، همراستایی موازی را ترجیح میدهد و فرومغناطیس را ایجاد میکند، و هامیلتونی اسپین را که زیربنای نظریه کوانتومی نظم مغناطیسی است، ارائه میدهد.
- نظریه میدان مولکولی وایس
- وایس تبادل را به عنوان یک میدان مولکولی داخلی متناسب با مغناطش مدلسازی کرد؛ این نظریه میدان میانگین، یک مغناطش خودبهخودی خودسازگار را پیشبینی میکند که در دمای کوری ناپدید میشود و گذار فرومغناطیسی را به صورت پدیدارشناختی نشان میدهد.
Clinical relevance
فرومغناطیس، آهنرباهای دائمی، موتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورها و ذخیرهسازی دادههای مغناطیسی را ممکن میسازد؛ درک تبادل، ناهمسانگردی و رفتار دامنه برای طراحی رسانههای ضبط، حسگرهای مغناطیسی و مواد مهندسی برق ضروری است.
History
وایس در سال 1907 یک میدان مولکولی را برای توضیح فرومغناطیس فرض کرد، بدون اینکه منبع آن را شناسایی کند؛ در سال 1928 هایزنبرگ، با کار مرتبط دیراک، نشان داد که تبادل کوانتومی آن میدان را تأمین میکند و سرانجام توضیح داد که چرا انرژیهای نظمدهی فرومغناطیسی به طور چشمگیری از برهمکنشهای دوقطبی مغناطیسی فراتر میروند.
Key figures
- Werner Heisenberg
- Pierre Weiss
- Paul Dirac
Related topics
Seminal works
- heisenberg1928
- blundell2001
Frequently asked questions
- برهمکنش تبادلی دقیقاً چیست؟
- این یک کوپلینگ مؤثر بین اسپینها است که به دلیل اینکه اصل پاولی تقارن حالت اسپین را به تابع موج فضایی گره میزند، و این به نوبه خود انرژی کولنی را تغییر میدهد، ایجاد میشود؛ نتیجه یک تفاوت انرژی بین اسپینهای موازی و پادموازی است که شبیه یک نیروی قوی اسپین-اسپین عمل میکند.
- چرا یک فرومغناطیس دامنهها را تشکیل میدهد؟
- یک ناحیه واحد با مغناطش یکنواخت، انرژی میدان خارجی زیادی را حمل میکند؛ ماده این انرژی را با تقسیم شدن به دامنههایی که در جهات مختلف مغناطیده شدهاند و توسط دیوارها از هم جدا شدهاند، کاهش میدهد، به همین دلیل یک فرومغناطیس غیرمغناطیده تا زمانی که یک میدان دامنهها را همراستا کند، گشتاور خالص ندارد.