铁磁学绪论

铁磁学就是研究强磁性物质中自发磁 化的成因及在不同外加条件下各种物质的 微观磁性和宏观磁性的变化规律 主要包括三部分: 主要包括三部分 自发磁化的基本现象和理论 技术磁化的机制和理论 交流磁化与磁共振的基本现象和理论
纵观100多年近代磁学的发展历程,经历了由金属— 多年近代磁学的发展历程,经历了由金属 纵观 多年近代磁学的发展历程 非金属—金属的过程。 非金属 金属的过程。这个过程与磁性材料的发展过程相 金属的过程 互印证相互推动,但不是简单的重复， 互印证相互推动,但不是简单的重复，而是不断深入的理 论研究推动了磁性材料在性能和形态上的深刻变革。 论研究推动了磁性材料在性能和形态上的深刻变革。其中 一些主要的有重大影响的理论如下： 一些主要的有重大影响的理论如下： 1894年 年 居里(Curie)发现了居里点，确定了顺磁磁化率 发现了居里点， 居里 发现了居里点 与温度成反比的试验规律(居里定律) 与温度成反比的试验规律(居里定律) 1905年 年 朗之万(Langevin)将经典统计力学应用到具有一 将经典统计力学应用到具有一 朗之万 定大小的原子磁矩系统上， 定大小的原子磁矩系统上，推导出居里定律
1907年 外斯 年 外斯(Weiss)假设了铁磁性物质中存在分子场, 假设了铁磁性物质中存在分子场, 假设了铁磁性物质中存在分子场 形成自发磁化,推导出了铁磁性物质的居里 外 形成自发磁化,推导出了铁磁性物质的居里—外 斯定律。 斯定律。 1927年 海脱勒 年 海脱勒(Heitler)和伦敦 和伦敦(London)在研究氦原子和 和伦敦 在研究氦原子和 氢分子的结合能时,提出了静电作用能, 氢分子的结合能时,提出了静电作用能,这一能量 附加项导致了电子自旋在相对取向不同时能量会 有所差别.正是这种差别, 有所差别 正是这种差别,导致了电子自旋取向的 正是这种差别 有序。这一附加能量被称为交换作用能。 有序。这一附加能量被称为交换作用能。 1929年 弗兰克尔 年 弗兰克尔(Frenkel)和海森堡 和海森堡(Heisenberg)以交换 和海森堡 以交换 能作出发点,建立了局域电子自发磁化的理论模 能作出发点 建立了局域电子自发磁化的理论模 又称为海森堡交换作用模型。 型,又称为海森堡交换作用模型。其交换作用 又称为海森堡交换作用模型
铁磁学
目录
绪论 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 物质磁性基本概念 原子的磁性及物质的顺磁性 自发磁化的维象理论 自发磁化的交换作用理论 自旋波理论 金属磁性的能带模型理论
绪
论
磁性是物质的基本属性之一。根据其不同的特点, 磁性是物质的基本属性之一。根据其不同的特点,可以 分为弱磁性和强磁性两大类: 分为弱磁性和强磁性两大类 弱磁性:仅在具有外磁场的情况下才能表现出来 并随磁场 弱磁性 仅在具有外磁场的情况下才能表现出来,并随磁场 仅在具有外磁场的情况下才能表现出来 增大而增强。按照磁化方向与磁场的异同, 增大而增强。按照磁化方向与磁场的异同,弱磁性 又分为抗磁性和顺磁性。前者起因于电磁感应，后 又分为抗磁性和顺磁性。前者起因于电磁感应， 者则由于元磁矩在外磁场下的取向。 者则由于元磁矩在外磁场下的取向。 强磁性:表现为在无外加磁场时仍存在自发磁化。为使体系 强磁性 表现为在无外加磁场时仍存在自发磁化。 表现为在无外加磁场时仍存在自发磁化 能量减小,有限大的物质通常被分成若干小的区域 能量减小 有限大的物质通常被分成若干小的区域, 有限大的物质通常被分成若干小的区域 不同区域的自发磁化方向则不同。 不同区域的自发磁化方向则不同。
（ • RKKY（Ruderman,Kittel,1954;Kasuya
1956,Yosida 1957）理论建立。通过传导电 ）理论建立。
子的磁关联产生的间接交换作用从而解释了稀土 金属中磁性的多样性。 金属中磁性的多样性。 然而上述的局域电子模型在对Fe、Ni、Co这些过渡 然而上述的局域电子模型在对Fe、Ni、Co这些过渡 Fe 金属进行定量计算时却出现了新的困难。 金属进行定量计算时却出现了新的困难。因为承担磁
哈密顿可以写成
v v H = −∑ Aij Si ⋅ S j
ij
பைடு நூலகம்
∧
当交换积分A为正时， 当交换积分A为正时，自旋趋于相互平行而呈现 铁磁性；当交换积分A为负时，自旋趋于反平行 铁磁性；当交换积分A为负时， 而呈现反铁磁性或亚铁磁性； 而呈现反铁磁性或亚铁磁性；当A的符号和大小 是变化的，则可得到螺磁性或其它自旋结构。 是变化的，则可得到螺磁性或其它自旋结构。 1931年 年 布洛赫（Bloch）考虑到交换作用的远程效果， 布洛赫（ ）考虑到交换作用的远程效果， 把自旋结构看成是整体激发， 把自旋结构看成是整体激发，开创了自旋波理 论，对接近0k的磁行为给出了正确的解释。 对接近0k的磁行为给出了正确的解释。 0k的磁行为给出了正确的解释 1958年 1958年 小口（ 小口（Oquchi）和BPW（Beche-Peierls-Weiss） ） （ ） 考虑了自旋的近程作用， 考虑了自旋的近程作用，对临界点附近的相变行 为给出了更好的结果。 为给出了更好的结果。
1934～1957年 在海森堡交换模型的基础上，铁磁学理 ～ 年 在海森堡交换模型的基础上， 克喇末（ ） • 克喇末（Kramers）提出超交换模型来解释绝 德森等人对理论又作了改进。 德森等人对理论又作了改进。 论进一步发展： 论进一步发展：
缘性化合物（铁氧体）的自发磁化。 缘性化合物（铁氧体）的自发磁化。1950年安 年安
性的d电子并非是完全局域的。 性的 电子并非是完全局域的。从而发展了巡游电子模 电子并非是完全局域的 电子既不像f电子那样局域 型，认为d电子既不像 电子那样局域，也不像 电子那 认为 电子既不像 电子那样局域，也不像s电子那 样自由，而是在各个原子的 轨道上依次巡游 轨道上依次巡游， 样自由，而是在各个原子的d轨道上依次巡游，形成 了窄能带。因此需采用能带理论方法进行处理。 了窄能带。因此需采用能带理论方法进行处理。 1951年 赫令（Herring）等人提出了无规则近似 年 赫令（Herring） （RPA）方法，成功地描述了基态附近二元激发 RPA）方法， 以及自旋临界涨落现象。 以及自旋临界涨落现象。 1973年 守谷（Moriya）等人提出了自洽地重整化理论 年 守谷（Moriya） 理论更进了一步， （SCR）。这比传统的RPA理论更进了一步，考 SCR）。这比传统的 ）。这比传统的 理论更进了一步 虑了各种自旋涨落模式之间的耦合， 虑了各种自旋涨落模式之间的耦合，同时自洽 地求出自旋涨落和计入自旋涨落的热平衡态， 地求出自旋涨落和计入自旋涨落的热平衡态，
从而获得突破。这一理论的成功预示着在海森堡理论中被 从而获得突破。 认为是局域的系统， 认为是局域的系统，实际上应当用联结局域矩和弱铁磁性 这两个极限之间更一般化的自旋涨落加以描述。 这两个极限之间更一般化的自旋涨落加以描述。这一工作 开拓了在局域模型和巡游电模型之间寻求一种统一磁性理 论的研究。 论的研究。 总的来说，局域电子模型在自发磁化与温度的关系以 总的来说， 及对居里点高低的估计上比较成功， 及对居里点高低的估计上比较成功，而巡游电子模型在给 出过渡金属原子磁矩非整数的特性上比较成功。 出过渡金属原子磁矩非整数的特性上比较成功。 1987～1992年 有机磁性来源理论以及新型稀土－过渡 ～ 年 有机磁性来源理论以及新型稀土－ 族元素－N（C）磁性机理研究，纳米磁性理论。 族元素－ 磁性机理研究，纳米磁性理论。 总体来说，铁磁学理论仍落后于实验和应用的现状和 总体来说， 发展要求。 发展要求。
在无外加磁场情况下,系统总的磁矩趋向于相互抵消. 在无外加磁场情况下,系统总的磁矩趋向于相互抵消. 这些小的区域称为磁畴 在外磁场下, 称为磁畴.在外磁场下 这些小的区域称为磁畴 在外磁场下,由于畴壁的移动 或者畴内自发磁化方向的 或者畴内自发磁化方向的改变而通常表现出很强的磁 其另一个重要特点是存在一个临界温度, 性。其另一个重要特点是存在一个临界温度,即居里温 以上,由于热运动较强, 点 T ，在 T 以上,由于热运动较强,致使自发磁化的消 c c 因此,居里温度是衡量引起自发磁化的微观作用大 失,因此 居里温度是衡量引起自发磁化的微观作用大 小的量度。 小的量度。 强磁性由于自发磁化方式的不同,可分为铁磁性 可分为铁磁性、 强磁性由于自发磁化方式的不同 可分为铁磁性、 反铁磁性、亚铁磁性和螺磁性等，除反铁磁性外，这 反铁磁性、亚铁磁性和螺磁性等，除反铁磁性外， 些磁性通常又广义地称为铁磁性。 些磁性通常又广义地称为铁磁性。