铁磁性与反铁磁性
交换耦合铁磁和反铁磁
交换耦合铁磁和反铁磁
1.引言
1.1 概述
概述
交换耦合铁磁和反铁磁是材料科学领域中的重要研究方向。交换耦合指的是通过材料内部的交换相互作用实现的磁性耦合现象，而铁磁和反铁磁则是常见的磁性材料类型。
在交换耦合铁磁材料中，交换相互作用将铁磁性颗粒相互连接，使其在外界磁场作用下呈现统一的磁化方向。这种铁磁相互连接的效应可以应用于磁性材料的储存、传输和传感等方面。交换耦合铁磁材料由于具有较大的矫顽力和饱和磁化强度，被广泛应用于磁存储领域，如硬盘驱动器和磁带等。
而反铁磁材料则是一种在外界磁场作用下呈现反平行磁化方向的材料。在这种材料中，相邻磁性原子的磁矩呈现相互抵消的关系，从而产生零磁矩的效果。反铁磁材料在信息存储领域也有着重要的应用，例如磁性传感器和磁记录材料等。
本文将详细介绍交换耦合铁磁和反铁磁的性质、结构以及其在材料科
学中的应用。首先，将对交换耦合铁磁和反铁磁的基本概念和原理进行阐述。然后，将针对这两种材料的制备方法和表征技术进行介绍。最后，将重点关注交换耦合铁磁和反铁磁在磁性材料领域的应用前景，并对未来的研究方向进行展望。
通过对交换耦合铁磁和反铁磁的深入了解，不仅可以为材料科学领域中的磁性材料研究提供参考，还可以为磁存储技术和磁传感器技术的发展提供理论基础和技术支持。
1.2 文章结构
文章结构部分的内容可以如下所示：
2. 文章结构
本文主要介绍了交换耦合铁磁和反铁磁的相关概念、性质和应用。具体结构如下：
2.1 交换耦合铁磁
在此部分中，将详细介绍交换耦合铁磁的基本概念和定义。首先，将介绍交换耦合的概念，包括交换能和交换场的定义以及其作用机制。接着，将讨论铁磁材料的基本性质，如磁矩、居里温度以及铁磁材料的分类。在此基础上，将具体介绍交换耦合铁磁的特性和研究方法，包括磁化曲线的分析、磁畴结构以及交换耦合现象的测量方法。最后，将探讨交换耦合铁磁的应用领域，如磁存储器件、磁传感器等。
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁
铁磁性
铁磁性
Ferromagnetism
过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。钐(Samarium)，钕(neod ymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。
铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.-E.外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释。1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。
铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化[1]。材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。
当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。
当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(Curie temperature)。
如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。
反铁磁概念
反铁磁概念
反铁磁是指在原子自旋(磁矩)受交换作用而呈现有序排列的磁性材料中，如果相邻原子自旋间是受负的交换作用，自旋为反平行排列,则磁矩虽处于有序状态(称为序磁性),但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。
反铁磁体的磁化率
反铁磁体的磁化率
反铁磁体的磁化率是指材料在外加磁场作用下的磁化程度。与铁磁体不同的是，反铁磁体具有自旋自发磁化相互抵消的特点，使其在宏观上没有磁性。当外加磁场作用在反铁磁体上时，其自旋磁矩会重新排列，但总磁矩仍然趋向于相互抵消，使得磁化强度相对较小。
反铁磁体的磁化率通常是负值，在外磁场下增大。当外磁场增大时，材料的磁矩会逐渐与外磁场对齐，导致磁化率减小。如果外磁场继续增大，最终会导致材料的磁矩与外磁场完全对齐，使得材料具有铁磁性。
反铁磁体的磁化率的大小与温度有关。在低温下，反铁磁体的磁化率较大，而在高温下，磁化率减小。这是因为在低温下，磁矩的热激发程度较低，自旋自发磁化更容易实现。而在高温下，热激发导致自旋指向的随机化，自旋自发磁化难以实现。
总而言之，反铁磁体的磁化率与外磁场和温度有关，通常是负值，在外磁场作用下减小。
铁磁性与反铁磁性
合金元素的影响
铁磁性
某些合金元素的加入可以增强铁磁性材料的 磁性。例如，钴和镍可以显著提高铁的磁化 强度。
反铁磁性
某些合金元素的加入可以减弱反铁磁性材料 的反铁磁性。例如，铜和铬可以降低尼尔点
的温度。
05 铁磁性与反铁磁性的研究进展
CHAPTER
实验研究进展
1 2 3
实验技术改进
随着实验技术的不断进步，研究者们能够更精确 地测量和观察铁磁性和反铁磁性物质的物理性质。
铁磁性与反铁磁性
目录
CONTENTS
• 铁磁性简介 • 反铁磁性简介 • 铁磁性与反铁磁性的比较 • 铁磁性与反铁磁性的影响因素 • 铁磁性与反铁磁性的研究进展
01 铁磁性简介
CHAPTER
定义与特性
定义
铁磁性是指某些材料在磁场中被强烈 磁化，表现出高磁导率和磁滞回线的 特性。
特性
铁磁材料具有高磁导率、高磁感应强 度和磁滞回线宽等特性，使得它们在 磁场中能够产生较大的磁化强度。
特性
在反铁磁性材料中，相邻原子或分子的自旋方向相反，导致磁矩相互抵消，不表 现出宏观磁性。
反铁磁性的物理意义
01
02
ห้องสมุดไป่ตู้
03
磁学性质
反铁磁性是磁学领域中的 重要概念，对于理解物质 的磁学性质和磁性转变具 有重要意义。
铁磁性与反铁磁性
谢谢！
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1.铁磁序
M：单位体积的磁矩。 BE=λM
对于顺磁体： M=χPB χP= M / B = C / T
对于铁磁体： M=χP（Ba + BE） χ= M / Ba = C / （T-Cλ）
Χ=C/ T-TC , TC=Cλ
λ = TC/C ：平均场常数。
铁：λ≈5000
BE≈λM =103T
交换场近似地表示量子力学的交换作用
6个氧构成A位置（V8）、
4个氧构成D位置（V4） 、
8个氧构成C位置（V12）
A
金属离子被O2－形成的
亚点阵包围：
Y3＋→C；Fe3＋ →A＋D
D
C
石榴石晶胞中共160个原
子（离子）：O原子96个 石榴石晶体结构示意图
构成亚点阵；A原子16个；
D位24个；C位24个
亚铁磁体的居里温度及其磁化率
亚铁磁性体自发磁化随温度的变化
3.中子散射
中子能感受到晶体的两个方面：核的分布和电子磁化强度的分布 中子-核 的相互作用截面与中子-电子相互作用截面数量级相同，因此 磁性晶体对中子的衍射能确定磁矩的分布、方向和磁矩的序 中子可以被结构非弹性散射，同时产生或消灭一个磁波子。---可测定 磁波子谱
动量守恒： 能量守恒：
4. 亚铁磁序
尖晶石立方晶胞： 含有8个MFe2O4
顺磁性 逆磁性 铁磁性
磁性矿粒在磁场中能显示出磁性，这种现象叫磁化。其根本原因是矿物粒子内原子磁矩按磁场方向的排列。下面介绍物质磁性的来源和磁化的本质。
我们知道，任何物质都是由分子组成的，分子是由原子组成的。原子核外的电子不停地做轨道运动与自旋运动，以及原子核的自旋，这都形成微观电流。每个微观电流相当于一个微小的载流线圈，因而具有一定的磁矩。大多数物质原子核的磁矩比电子磁矩小得多，可以忽略不计，故物质的磁性是以电子的磁矩，尤其是它的自旋磁矩起主要作用。物质的磁性本质常以原子或分子的等效磁矩（或叫做单元磁矩）和磁化强度来说明。逆磁性物质、顺磁性物质与铁磁性物质的差别，是由于在外磁场的作用下，磁化状态各不相同。
逆磁性物质在没有外界磁场时，原子中的磁矩互相抵消，原子的等效磁矩等于零，物质对外不显磁性。当有外磁场存在时，绕原子核旋转流也将有所改变，原子中原有磁矩的平衡状态就受到破坏，每个原子中就出现了一个不平衡的磁矩。根据楞次定律，这个的电子受到磁力的作用，它的角动量发生改变，也就是它们旋转的角速度将有所改变，因而原子中的微观电不平衡的磁矩和外磁场方向相反，从而削弱外磁场。一般这为负值。逆磁性物质较为明显种反磁效应相当微弱性。当有外加磁场时，固有磁矩都企图趋向外磁氧场方向，物质即显磁性，这时我们就称物质被磁化了。一旦外磁场消失，物质也失去它的磁性。顺磁性物质的磁化系数为正值。铝、钡、钙、钨、钛、镁、铂、等都是顺磁物质。可见，这类物质原子的固有磁矩是产生磁效应的根本原因。
铁磁性物质与逆磁性物质、顺磁性物质有显著区别。铁、钴、镍和它们的某些合金以及锰和铬的某些合金等一类有结晶状态的物质，即使在较弱的外磁场作用下，也呈强烈的磁化，这类物质叫铁磁性物质。铁磁性物质内部的原子磁矩在没有外磁场的作用下，已经以某种方式排列起来，，当外磁场出去后，逆磁效应也就消失，实际上逆磁效应普遍存在于所有物质之排列，这些自发磁化的小区域又称之为磁畴。在没有外加磁场时，铁磁性物质内各个磁畴的自发磁化取向各不相同，对外磁效应互相抵消，因而不显示磁性。当有外加磁场时，外加磁场不是使单个原子磁矩转向，而是使各个磁畴的磁矩转向外磁场方向。这样铁磁性物质就在一个不太强的外磁场作用下被强烈地磁化，直至饱和中，但是有些物质的逆磁效应为其他因素所掩盖。逆磁物质的磁化系数的是铋，其他如铜、锌、银、金、汞、锑、钠、石墨和氩、氮等惰性气体，以及多数有机物质均属逆磁性物质。
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁
铁磁性
铁磁性
Ferromagnetism
过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。钐(Samarium)，钕(neod ymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。
铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.-E.外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释。1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。
铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化[1]。材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。
当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。
当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(Curie temperature)。
如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。
铁磁 反铁磁 亚铁磁的异同
铁磁、反铁磁和亚铁磁的异同
铁磁、反铁磁和亚铁磁是几种常见的磁性物质类型，它们在磁矩的排列方式、磁性行为等方面存在着一些相似和不同之处。本文将从磁矩排列、磁性行为和应用领域等方面详细介绍这三种磁性物质的异同。
一、磁矩排列
铁磁、反铁磁和亚铁磁在磁矩排列方面存在明显差异。
1. 铁磁
铁磁物质的磁矩在外磁场作用下，趋向于与外磁场方向相同或者相反。磁矩的方向有序排列，使得整个物质呈现出较强的磁性。常见的铁磁物质有铁、钴、镍等。
2. 反铁磁
反铁磁物质的磁矩在外磁场作用下，趋向于与外磁场方向垂直。磁矩之间存在着反平行排列的规律，使得整个物质在无外磁场时呈现出弱磁性。随着外磁场的增强，反铁磁物质的磁性会逐渐减弱。反铁磁性是由于内部层的自旋配对所引起的，层间的自旋配对是反平行排列的。铁磁物质的晶体结构对层间自旋配对的形成起着重要的作用。常见的反铁磁物质有氧化亚铁（FeO）等。
3. 亚铁磁
亚铁磁物质处于铁磁和反铁磁之间的一类磁性物质。它的磁矩即有一定的有序性，又存在一定的无序性。在外磁场下，亚铁磁物质的磁性程度介于铁磁和反铁磁之间，磁矩的排列并不像铁磁物质那样有序，也不像反铁磁物质那样完全反平行排列。常见的亚铁磁物质有氧化铁（Fe3O4）等。
二、磁性行为
铁磁、反铁磁和亚铁磁在磁性行为方面也存在差异。
铁磁物质的磁性行为主要表现为顺磁性和铁磁性。顺磁性是指在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向一致，而且强度与磁场强度成正比。铁磁性是指在外磁场作用下，磁矩不仅与外磁场方向一致，并且强度比顺磁性更强。铁磁物质在自发磁化时，能产生较强的磁感应强度。这种磁性行为类似于磁针指向北极。
反铁磁材料磁畴
反铁磁材料磁畴
1.引言
1.1 概述
概述
反铁磁材料是一类特殊的材料，其具有磁性，但其磁性与铁磁材料截然不同。铁磁材料具有明显的磁性，能够在外加磁场的作用下产生磁化，而反铁磁材料则在外加磁场的作用下呈现出相反的磁化方向。与铁磁材料相比，反铁磁材料的磁矩具有相互排列但无序的特点。
磁畴作为反铁磁材料中的基本结构单元，对于理解和研究反铁磁材料的磁性行为具有重要意义。磁畴可以理解为在微观尺度上，具有一定磁化方向的区域。在反铁磁材料中，磁畴的形成和存在是由材料自身的性质决定的。虽然磁畴的存在使得反铁磁材料整体上不表现出明显的磁性，但研究和理解磁畴的形成机制对于揭示反铁磁材料的磁性行为具有重要意义。
本文将介绍反铁磁材料的定义和特性，并重点探讨磁畴的概念和形成机制。首先，我们将对反铁磁材料进行介绍，包括其磁化行为和相关特性。其次，我们将深入研究磁畴的概念，解释其在反铁磁材料中的重要作用，并探讨磁畴的形成机制。最后，我们将总结反铁磁材料磁畴的重要性，并展望其在未来的研究和应用领域中的前景。
通过本文的阐述，我们旨在增进对反铁磁材料磁畴的理解，为深入研究和开发相关材料提供一定的参考和指导。相信通过对反铁磁材料磁畴的深入研究，将为材料科学和磁性材料的应用领域带来新的突破和发展。
文章结构部分的内容应该包括对整篇文章的组织和章节的描述。
在本篇长文中，文章的结构如下：
1. 引言
1.1 概述
1.2 文章结构
1.3 目的
2. 正文
2.1 反铁磁材料的定义和特性
2.2 磁畴的概念和形成机制
3. 结论
3.1 反铁磁材料磁畴的重要性
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁
铁磁性
铁磁性
Ferromagnetism
过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。钐(Samarium)，钕(neod ymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。
铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.-E.外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释。1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。
铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化[1]。材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。
当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。
当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(Curie temperature)。
如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。
反铁磁性定义
反铁磁性定义
反铁磁性是电工学的一个基本概念，它指的是一种特殊的磁性材料，其本质上表现为反磁性，反磁性是指物体表面在外界施加磁场时，物质表面由正磁性变为负磁性，反之亦然。反铁磁性是各种电子元器件及其他重要设备的关键技术，反铁磁性材料的发展将对电子元器件、电动机以及无线电的应用技术具有重要的影响。
反铁磁性材料的特性是指在一定的磁场作用下，它所受到的磁场作用具有明显的反铁磁性。磁铁材料的反磁性指的是它的磁化率在较强的外加磁场作用下有所改变，表现为其磁化率会发生逆转，从而产生一个较小的磁滞现象。反铁磁性也是指它具有较强的热稳定性，即随着温度的改变反铁磁性效应不会发生明显的改变，因而具有用作磁性永久材料的潜力。
反铁磁性材料有多种类型，其中有些是晶体结构的材料，比如合金、氧化物磁性材料、碳化硅等；而另外一些是杂化材料，混合了这些晶体结构的材料而产生的，比如磁性碳纤维、碳纤维磁性纤维和磁性橡胶等。这些反铁磁性材料的性能介于磁性材料的性能与非磁性材料的性能之间，因此被称为中性材料。
反铁磁性材料具有众多优点，比如具有绝缘性、耐磨性、耐高温性等优异性能。它们可以用于各种电子元器件、电动机以及无线电。此外，它们也可以用于传感器、电磁制动器等，以提高产品的性能和可靠性。
综上所述，反铁磁性材料的发展具有重要的意义，可以为上述各
种电子元器件、电动机、无线电提供性能优越、可靠的工程材料。为了使反铁磁性材料更加完善，各种反铁磁性材料的研究者们应该充分发挥自己的潜力，加强研究工作，深入挖掘反铁磁性材料的科学价值，从而进一步发展反铁磁性材料，为特定的应用领域提供更加完善先进的工程材料。
反铁磁性的名词解释
反铁磁性的名词解释
反铁磁性是一种材料的物理特性，指的是在一定温度下，随着温度的升高，材
料的磁性表现出反向变化的现象。也就是说，当材料的温度上升时，其磁性会减弱或消失。这一特性与铁磁性和顺磁性等其他磁性类型不同，为我们理解和应用材料的磁性提供了新的视角。
反铁磁性的起源可以追溯到材料微观结构的磁性相互作用。在铁磁性材料中，
原子的磁矩会相互耦合，形成大范围的磁区域。而在反铁磁材料中，相邻原子间的磁矩会产生相互抵消的效应，导致整体磁性的减弱甚至消失。这种相互抵消的现象主要是由于原子间的磁偶极相互作用、格点间的反铁磁耦合以及自旋波的存在等因素所引起的。
反铁磁材料的特性使其在一些应用领域具有独特的优势。例如，在磁存储器件中，反铁磁材料可以用作数据位的隔离层，有效阻止相邻位之间的磁耦合，提高存储密度和可靠性。此外，反铁磁材料还在磁效应传感器、磁随机存储器以及自旋电子学等领域得到广泛应用。
为了更好地理解反铁磁性的性质和行为，研究者已经提出了许多理论模型和实
验方法。通过对反铁磁材料的晶体结构、自旋自由度和磁结构等方面的研究，我们可以更深入地了解反铁磁性的机制。另外，随着纳米技术的发展，研究人员还开始探索反铁磁纳米颗粒的合成和调控，以期望在纳米尺度上实现更高效的反铁磁功能。
除了在材料科学领域的应用，反铁磁性还在物理学研究中发挥着重要的作用。
研究者们通过对反铁磁材料的磁性特性和能带结构等方面的研究，为理论物理的发展和深化提供了重要的实验验证和实验依据。此外，通过对反铁磁性的研究，还可以更好地揭示物质的微观自旋特性与磁性相互作用之间的关系，拓宽对物质本质的认识。
铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体自发磁化
成是黢体激发，既考虑到交换作用的远程效果，则又可对接近ＯＫ的磁现象 绘爨燕礁懿解释，这裁是由毒滚赫瑟ｌｌ（Ｂｌｏｃｈ；１９３１）嚣翎鹣蠡囊波攥论， 为了更好的描述整个温度范围的磁行为，从海森堡交换作用哈密顿量出发， 利用掇予场论技术，也可以得到很好的结果，此即格林函数方法。
囊予基毒萋缝够严撂簿螽求簸豹鑫旋簿系燕菲豢少豹ｌ秘ｆ硐，因筵罄瀚予数 值方法，研究有限体系的自旋豳簇，进而预测无限大自旋体系的性质将成为 研究的必然选择。这些数值方法主要有：严格对角化方法、量子蒙特卡罗方 法及密痍矩阵耋熬纯群方法等。
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｃａｎ ｂｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｂｙ Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ ｍｏｄｅｌ．Ｉｔ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ
ｋｎｏｗ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｈｉ曲ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ
我们知道，在临界温度以下，由于交换作用的不同导致磁序的不同，在 磁性系统中主要有三种不同的磁序：铁磁序、反铁磁序、亚铁磁序。铁磁序 是自旋平行排列的，反铁磁序是自旋反平行排列的，亚铁磁序也是自旋反平 行排列的，但磁矩大小不同。本文先通过采用霍尔斯坦一普里马可夫变换（简 称Ｈ＿Ｐ变换）、自旋波、格林函数、波可留波夫变换等方法，分别对不同自旋 体系的自发磁化进行讨论，得出重要物理量如：磁化强度、磁化率、关联函 数、自旋波谱等。在外磁场中对铁磁体、反铁磁体、亚铁磁体的自旋波谱统 一进行讨论，计算了出亚铁磁体的临界磁场，并且将所得结果与Ａｄｅｒｓｏｎ的理 论分析和Ｈａｌｄａｎｅ的预言相比较，结果符合得很好。
反铁磁性定义
反铁磁性定义
反铁磁性是磁性材料的一种特征，表现为它们对磁场的反应不像典型的铁磁性材料一样。反铁磁性材料会受到磁场的影响，但是它们会产生与典型铁磁性材料相反的反应。当磁场改变时，它们会产生与磁感应有关的反应，但是反应方向与典型铁磁性物质不同。
反铁磁性材料受磁场影响时会产生反应，而这种反应以一种叫做飞碟磁矩的方式表现出来。这就是说，当外加的磁场改变时，它们会产生另一种沿着不同的方向的磁感应反应，而且量程远远大于典型铁磁性材料。
另一种流行的定义是，反铁磁性材料是指在磁场下可被使用来提高磁性材料的品质指标的材料，并且表现出与典型铁磁性材料不同的反应。在反铁磁性材料中，随着磁场的改变，这些材料的磁性属性也会发生变化，而且变化的方向与典型铁磁性材料是相反的。
反铁磁性材料可以被用于将信号从一个点转换到另一个点，以及用于消除干扰和降低磁场的影响，从而改善信号的质量。它也可以用于记忆器中，因为它能够改变存储在内存中的信息，以及用于磁性记录器中，因为它可以在磁场中改变记录的信息。
铁磁性与反铁磁性
a
3d6
4s2
10
金属Cu的4s带和3d带关系示意图
金属镍的4s带和3d带关系a 示意图
11
2. 磁波子
假定N个自旋，每个大小为S，最近邻自旋之间通过海森堡相互作用进 行耦合，其相互作用能：
晶格振动---晶格原子的相对位置的振动。 声子
自 旋 波 ---晶格中自旋的相对取向的振动。 磁波子（磁振子）
尖晶石立方晶胞： 含有8个MFe2O4
四面体（A）位置：8个 八面体（B）位置：16个
JAA、a JBB、JAB <0
16
石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb
结构中有3种位置：1. A位：氧正八面 体中心；2.D位：氧正四面体中心； 3. C位：氧正十二面体中心
动量守恒： 能量守恒：
a
14
4. 亚铁磁序
在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似，但宏观表现上却更接 近于铁磁物质。
以磁铁矿Fe3O4为例，即FeO·Fe2O3
Fe3O4的自旋排列。
a
15
铁氧体就是典型的具有亚铁磁性序的材料
尖晶石结构：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4 石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb ) 磁铅石结构：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19, 钙钛矿结构：LaFeO3, 尖晶石结构： MO·Fe2O3，M是二价阳离子，比如Zn，Cd，Ni等
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四面体（A）位置：8个 八面体（B）位置：16个
JAA、. JBB、JAB <0
石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb
结构中有3种位置：1. A位：氧正八面 体中心；2.D位：氧正四面体中心； 3. C位：氧正十二面体中心
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1.铁磁序
M：单位体积的磁矩。 BE=λM
对于顺磁体： M=χPB χP= M / B = C / T
对于铁磁体： M=χP（Ba + BE） χ= M / Ba = C / （T-Cλ）
Χ=C/ T-TC , TC=Cλ
λ = TC/C ：平均场常数。
铁：λ≈5000
BE≈λM =103T.
交换场近似地表示量子力学的交换作用
第12章 铁磁性与反铁磁性
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目录
1. 铁磁序 2. 磁波子（磁振子） 3. 中子散射 4. 亚铁磁序 5. 反铁磁序 6. 铁磁畴 7. 单畴粒子
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物质 原子
原子核
原子核运动
磁
核外电子
主要贡献 矩
轨道运动＋自旋运动
为什么电子磁矩对物质磁矩起主要贡献， 而不是原子核磁矩呢？
原子核比电子重1000多倍； 原子核运动速度仅为电子速度的1/几千； 故：原子核磁矩可忽略
假设i、j两原子，自旋Si，Sj，其相互作用能： U=-2J Si· Sj
（ J：交换积分） 在平均场近似下，J与Tc的关系
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在平均场近似下，对于S=1/2，磁化强度与温度的函数关系为：
若进行约化：
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低温下，平均场近似给出的磁化强度的偏离量： ΔM = M(0)- M(T)
而实验结果表明：低温下ΔM随温度的变化要快的多 如何来解释？（自旋波理论）
在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似，但宏观表现上却更接 近于铁磁物质。
以磁铁矿Fe3O4为例，即FeO·Fe2O3
Fe3O4的自旋排列。
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铁氧体就是典型的具有亚铁磁性序的材料
尖晶石结构：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4 石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb ) 磁铅石结构：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19, 钙钛矿结构：LaFeO3, 尖晶石结构： MO·Fe2O3，M是二价阳离子，比如Zn，Cd，Ni等
y
x
Neel畴壁：多见于磁性薄膜，磁 化方向在薄面上发生旋转，最终 实现反转；
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畴壁的厚度取决于交换能和磁各向异性平衡的结果
磁学各向异性
磁学特性随晶体学 方向不同而不同的 特性；
磁学特性包括： 初始磁导率，饱 和磁化强度、剩 余磁化强度、矫 顽力等等
铁单晶沿不同方向的磁化曲线 不同晶体学方向磁化难易程度不同
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YIG晶体中3种位置：
6个氧构成A位置（V8）、
4个氧构成D位置（V4） 、
8个氧构成C位置（V12）
A
金属离子被O2－形成的
亚点阵包围：
Y3＋→C；Fe3＋ →A＋D
D
C
石榴石晶胞中共160个原
子（离子）：O原子96个 石榴石晶体结构示意图
构成亚点阵；A原子16个；
D位24个；C位24个
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亚铁磁体的居里温度及其磁化率
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3.中子散射
中子能感受到晶体的两个方面：核的分布和电子磁化强度的分布 中子-核 的相互作用截面与中子-电子相互作用截面数量级相同，因此磁 性晶体对中子的衍射能确定磁矩的分布、方向和磁矩的序 中子可以被结构非弹性散射，同时产生或消灭一个磁波子。---可测定磁 波子谱
动量守恒： 能量守恒：
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4. 亚铁磁序
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原子核
物质磁性分类的原则
A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？ C.是什么相互作用？
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 5. 亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用 7. 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争
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铁磁体在外磁场中磁化的过程主要为磁畴壁的移动和磁畴内磁矩的 转向过程
M
HM
S
MH
M
M
H
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形成畴结构的原因：系统能量最低结果，是交换相互作用能、 磁晶各向异性能、磁弹性能、退磁能等各种能量贡献的平衡结
果。
矫顽力
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7.单畴粒子
理想的单畴粒子：磁矩朝向某一端的长形微细 颗粒或其他特殊形状的粒子
应用： 生物领域。生物中的单畴粒子与外部磁场之间 的相互作用，鸟类的迁徙，蜜蜂的飞行。 仪器：扫描隧道显微镜的探针
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绝对零度下的饱和磁化强度：
nB是有效磁子数
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Fe 原子：Fe[26]
2s2 2p6
3s2
3p6
nB=4
实际观测值nB往往不是整数，原因： 1.自旋-轨道耦合，+/- 轨道磁矩 2. 在顺磁性离子实周围感生的 3.亚铁磁性物质的自旋磁矩不是整数。
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3d6
4s2
金属Cu的4s带和3d带关系示意图 金属镍的4s带和3d带关系. 示意图
2. 磁波子
假定N个自旋，每个大小为S，最近邻自旋之间通过海森堡相互作用进 行耦合，其相互作用能：
晶格振动---晶格原子的相对位置的振动。 声子 自 旋 波 ---晶格中自旋的相对取向的振动。 ห้องสมุดไป่ตู้波子（磁振子）
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磁波子的色散关系： 长波近似下
k2的系数一般可由中子散射或自旋波共振准确测定。 自旋波量子化： 频率为ωk的模含有nk个磁波子时，其能量 激发一个磁波子，相当于一个1/2自旋的反转 磁波子的热激发：
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反铁磁性磁波子： 反铁磁性磁波子的色散关系：
长波近似下，
铁磁性
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6.铁磁畴
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畴壁的3类：布洛赫畴壁（bloch） 尼尔畴壁（Neel） 介于二者之间的畴壁（枕木状）
z
y
x
Bloch畴壁：磁化方向自旋相对于畴壁 的法线成分连续变化。磁化强度在厚 度方向上像竹帘打捻一样实现反转， 多见于块状磁体
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亚铁磁性体自发磁化随温度的变化
MS Q型 TC
MS R型 TC
MS P型 TC
MS N型
Tcomp TC
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5.反铁磁序
反铁磁体是亚铁磁体的一种特殊情况，即其中A和 B两套子晶格磁化强度相等（CA=CB）。
平均场近似下：TN=μC T>TN，理论结果
实验结果 MnO中Mn2+离子排列
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奈尔温度以下的磁化率