Магнетизм в твердых телах
Магнитное поведение материалов, от слабого диамагнитного отталкивания до спонтанного упорядочения ферромагнетика, возникает из электронных спинов, орбитальных моментов и квантового обменного взаимодействия, которое их связывает.
Definition
Магнетизм в твердых телах — это изучение того, как электронные магнитные моменты реагируют на поля и упорядочиваются между собой; обменное взаимодействие, следствие принципа Паули и кулоновского отталкивания, приводит к кооперативным состояниям, таким как ферромагнетизм и антиферромагнетизм, ниже характерных температур перехода.
Scope
Эта область охватывает происхождение и классификацию магнетизма в твердых телах: диамагнетизм и парамагнетизм индивидуальных моментов, обменное взаимодействие и модель Гейзенберга, ферромагнитное, антиферромагнитное и ферримагнитное упорядочение, магнитные фазовые переходы и температуры Кюри и Нееля, а также низкоэнергетические спин-волновые возбуждения, называемые магнонами. Она акцентирует внимание на квантово-механическом и статистическом происхождении магнитного упорядочения, а не на инженерии магнитных устройств.
Sub-topics
Core questions
- Что отличает диамагнитный, парамагнитный и кооперативно упорядоченный магнитные отклики?
- Почему обменное взаимодействие, а не магнитные дипольные силы, ответственно за магнитное упорядочение?
- Чем отличаются ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные расположения, и что определяет их температуры перехода?
- Что такое спиновые волны и магноны, и как они определяют низкотемпературное поведение упорядоченного магнита?
Key concepts
- Диамагнетизм и парамагнетизм
- Обменное взаимодействие и модель Гейзенберга
- Ферромагнитное, антиферромагнитное и ферримагнитное упорядочение
- Температуры Кюри и Нееля и магнитные фазовые переходы
- Спиновые волны и магноны
Key theories
- Обменное взаимодействие и модель Гейзенберга
- Гейзенберг показал, что принцип исключения Паули в сочетании с кулоновским отталкиванием порождает эффективную спин-спиновую связь, во много раз более сильную, чем дипольные силы, обеспечивая квантовое происхождение ферромагнитного и антиферромагнитного упорядочения.
- Спин-волновые (магнонные) возбуждения
- Низкоэнергетические возбуждения упорядоченного магнита представляют собой коллективные прецессии спинов, квантованные как бозонные магноны, дисперсия которых объясняет температурную зависимость намагниченности, такую как закон Блоха T в степени три вторых.
Clinical relevance
Магнитное упорядочение лежит в основе постоянных магнитов, магнитной записи данных и спинтроники; понимание обмена, анизотропии и спиновых возбуждений имеет существенное значение для магнитных носителей записи, датчиков и развивающихся информационных технологий на основе спина.
History
Теория молекулярного поля Вейсса (1907) феноменологически объяснила ферромагнетизм, но только идентификация Гейзенбергом квантового обменного взаимодействия в 1928 году дала микроскопическое объяснение; работы Нееля по антиферромагнетизму и ферримагнетизму в 1930-х и 1940-х годах завершили базовую таксономию магнитного упорядочения.
Key figures
- Werner Heisenberg
- Pierre Weiss
- Louis Néel
Related topics
Seminal works
- heisenberg1928
- blundell2001
- ashcroft1976
Frequently asked questions
- Почему обменное взаимодействие намного сильнее магнитных сил между моментами?
- Обмен имеет электростатическое происхождение: принцип Паули вынуждает электроны с параллельными или антипараллельными спинами занимать различные пространственные состояния с различными кулоновскими энергиями. Эта разница энергий значительно превосходит крошечное магнитное дипольное взаимодействие, поэтому она определяет масштаб магнитного упорядочения.
- Что происходит при температуре Кюри?
- Выше температуры Кюри тепловое возбуждение подавляет обменное выравнивание, и ферромагнетик теряет свою спонтанную намагниченность, становясь парамагнитным; это непрерывный фазовый переход с характерным критическим поведением.