Спиновые волны и магноны

Низкоэнергетические возбуждения упорядоченного магнита представляют собой коллективные волны прецессирующих спинов; при квантовании эти спиновые волны становятся магнонами — бозонными квазичастицами магнетизма.

Definition

Спиновая волна — это коллективное низкоэнергетическое возбуждение упорядоченного магнита, при котором спины прецессируют с фиксированным фазовым соотношением, распространяющимся по решетке; ее квант, магнон, является бозонной квазичастицей, которая уменьшает полный спин на одну единицу и переносит энергию и квазиимпульс.

Scope

Эта тема охватывает элементарные возбуждения магнитно-упорядоченных твердых тел: классические спиновые волны как когерентные прецессии спинов относительно упорядоченного направления, их дисперсионное соотношение в ферромагнетиках и антиферромагнетиках, квантование в магноны и термодинамические следствия, такие как закон Блоха T^(3/2) для температурного спада намагниченности. Она связывает теорию спиновых волн с измерениями нейтронного рассеяния и с развивающейся областью магнонного транспорта информации.

Core questions

• Что такое спиновая волна и как она снижает энергию по сравнению с переворотом одного спина?
• Чем отличается магнонная дисперсия в ферромагнетиках и антиферромагнетиках?
• Как квантование спиновых волн в магноны объясняет температурную зависимость намагниченности?
• Как измеряются магноны и почему они важны для спинтроники?

Key concepts

• Спиновые волны как коллективная прецессия
• Дисперсионное соотношение магнонов
• Магноны как бозонные квазичастицы
• Закон Блоха T^(3/2)
• Детектирование магнонов методом неупругого рассеяния нейтронов

Key theories

Теория спиновых волн Блоха

Блох показал, что низшие возбуждения ферромагнетика — это спиновые волны, а не изолированные перевороты спинов; квантование их как магнонов и учет их термической заселенности приводит к уменьшению спонтанной намагниченности при низкой температуре по закону T^(3/2).

Clinical relevance

Магноны переносят спиновый угловой момент без перемещения заряда, что делает их привлекательными для низкодиссипативного транспорта информации в магнонике и спинтронике; спектры спиновых волн, измеряемые нейтронным рассеянием, также проверяют микроскопические обменные модели и исследуют квантовый магнетизм.

History

Блох ввел спиновые волны в 1930 году для объяснения низкотемпературной намагниченности ферромагнетиков; преобразование Хольштейна-Примакова 1940 года обеспечило систематическое квантование в магноны, а неупругое рассеяние нейтронов позднее непосредственно отобразило магнонные дисперсии.

Key figures

• Felix Bloch
• Theodore Holstein
• Charles Kittel

Seminal works

• bloch1930
• blundell2001

Frequently asked questions

Почему спиновая волна имеет меньшую энергию, чем переворот одного спина?

Полный переворот одного спина требует полной обменной энергии со всеми его соседями; спиновая волна когерентно распределяет одну единицу переворота спина по всей решетке, так что каждая связь лишь слегка разбалансирована, и общие энергетические затраты значительно меньше.

Как закон Блоха следует из магнонов?

Число термически возбужденных магнонов растет с температурой в соответствии со статистикой Бозе и магнонной дисперсией; каждый магнон уменьшает намагниченность на одну единицу, и интегрирование их заселенности дает характерный спад намагниченности ферромагнетика по закону T^(3/2).