磁性及超导

含未满4f壳层的三价稀土元素离子中，4f壳层外还有5s、 5p满壳层，属于内壳层，较少受到其它原子的影响，所以 较好地符合洪特定则。
6-2 固体磁性的种类
顺磁性 抗磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性
6-2 抗磁性

加磁场前
加磁场时
撤去磁场
6-2 顺磁性

加磁场前
加磁场时
撤去磁场
6-2 铁磁性：磁畴与磁化
6-3核磁共振的应用
核磁共振波谱 是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术，与紫 外光谱、红外光谱和质谱并称有机化学“四大名谱”，可以提 供分子中化学官能团的数目和种类以及许多红外光谱无法提供 的信息。目前对的研究主要集中在1H和13C两类原子核的图 谱。
6-3核磁共振的应用
核磁共振成像(MRI)技术 通过识别水分子中氢原子信 号的分布来推测水分子在人体内 的分布，进而探测人体内部结构 的技术，是一种非介入探测技术。 对人体没有辐射影响，能够比超 声探测技术显示更多细节。 核磁共振探测(MRS)技术 MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布 信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下 水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。已 经成为传统的钻探探测技术的补充手段，并且应用于滑坡等 地质灾害的预防工作中。
6-3 磁电阻效应
材料磁化状态的变化会导致电阻值改变，称为磁电阻效 应。 1856年，W. Thomson首先在铁磁材料中发现各向异性磁 电阻(AMR)效应； 1979年，IBM利用AMR效应制备薄膜磁头，取代感应式磁 头，提高磁盘记录密度数十倍； 1988年法国物理学家费尔(A. Fert)和德国物理学家格林贝 格(P. Grü nberg)分别独立发现巨磁阻(GMR)效应（非常弱 的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变 化），并共同获得2007年诺贝尔物理学奖； 1997年，IBM制作出GMR效应磁头，再次将硬盘记录密度 提高上百倍； 目前，利用隧穿磁电阻(TMR)效应制作的读出磁头已实现 了硬盘单张3.5英寸磁碟1TB容量的商业化应用。
高温超导氧化物
YBa2Cu3O7-δ Bi2Sr2CaCu2O8 90 85
PbIn PbBi
3.4~7.3 8.5
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 HgBa2Ca2Cu3O10
125 136
6-5 完全抗磁性
1933年迈斯纳和奥森菲尔德发现，无论是在磁场中降温使 样品进入零电阻态，还是将已经是零电阻态的样品移入磁 场中，样品中的磁感应强度均为零，称为迈斯纳效应
6-2 温度对物质磁性的影响

6-3 核磁共振和自旋电子学
核磁共振 自旋极化 磁电阻效应
6-3 核磁共振

6-3 核磁共振领域的诺贝尔奖
核磁共振领域曾产生过5次诺贝尔奖： 1944年物理学奖，拉比(I. I. Rabi)，发现原子核磁性和核 磁共振； 1952年物理学奖，布洛赫(F. Bloch)和珀塞尔(E. M. Purcell)，分别在固体和液体中发现核磁共振现象并分别建 立测量方法； 1966年物理学奖，卡斯特勒(A. Kastler)，发明光磁双共 振，极大提高测量灵敏度； 1991年化学奖，恩斯特(R. R. Ernst)，将傅里叶谱和核磁 共振技术结合，极大提高分辨率，并发展二维核磁共振谱； 2003年医学奖，劳特布尔(P. C. Lauterbur)和曼斯菲尔德 (P. Mansfield)，发展核磁共振成像(MRI)技术。
迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体
6-5 与理想导体的区别
若建立当温度低于某值时仅仅是电阻为零、电导趋于无穷 大的“理想导体” 模型，则可发现，在外磁场作用下将理 想导体降温至电阻为零的状态再撤去外磁场，则理想导体 中仍保留同样大小的磁通量，这和超导体实验现象不符。
完全抗磁性是超导体独立于电阻为零之外的基本特性！
Munekata, H., et al., Phys. Rev. Lett., 1989. 63(17): p. 1849-1852. Liu, C., F. Yun, and H. Morkoc, J. Mater. Science-Materials in Elect., 2005. 16(9): p. 555-597.
6-6 高温氧化物超导体的反常特性
电阻率的温度特性：线性关系 霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降 光电导的反常特性 超导能隙的各向异性 电子 – 电子关联性 临界磁场高，相干长度却很短
这些反常特性无法用低温超导理论（BCS理论）来解释，
对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。
第6章 固体的磁性和超导电性
6-1 固体磁性的基本原理
6-2 固体磁性的种类 6-3 核磁共振和自旋电子学 6-4 超导电现象及理论 6-5 超导电材料 掌握磁性和超导的一些基本概念 了解固体磁性和超导的产生机制
6-1 固体磁性的基本原理
磁化率 原子磁矩 自旋–轨道耦合 洪特定则
过渡金属离子的两个4s电子被电离，未满的3d壳层暴露在 最外面，直接受到其他原子的影响，其轨道运动常被破坏， 导致轨道角动量发生“猝灭”，只剩下自旋角动量。
p=g√(j(j+1))计算值 12 10 8 6 4 2 0
实验值
电子在原子轨道中填充排布的顺序为1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d…
考虑电子间的耦合：总的轨道角动量 L
6-1 自旋–轨道耦合

6-1 量子化的原子磁矩

6-1 洪特定则

6-1 洪特定则

6-1 洪特定则
S ———— ———— L- S S L+S m 3 2 1 0 -1 -2 -3
6-6 超导电材料
常规超导元素、合金和 化合物
高温超导体
超导材料的应用
6-6 常规超导元素、合金和化合物
常规的元素、合金和化合物超导体的临界温度较低，大多 需要液氦冷却条件，这就限制了其应用
超导材料 (Nb3Al)4Nb3Ge Nb3Sn NbN0.72C0.28 20.05 18 17.9
6-6 超导电性的应用举例
超导磁体 大尺度、强磁场、低消耗 超导电缆 电能在零电阻输送，完全没有损耗 超导储能 超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下，撤 去磁场，由于电磁感应，圆环中有感生电流产生。只要 温度保持在临界温度以下，电流便会持续。
6-6 磁悬浮列车
常导型磁悬浮列车 利用普通直流电磁铁电磁吸力 的原理将列车悬起，悬浮的气 隙小，一般为10 mm左右。时 速可达每小时400 ~ 500公里。 上海浦东机场 – 龙阳路的磁悬 浮运营示范线属常导型 超导型磁悬浮列车 利用超导磁体产生的强磁场， 列车运行时与布置在地面上的 线圈相互作用，产生电动斥力 的原理将列车悬起，悬浮的气 隙较大，一般为100 mm左右。 时速可达每小时500公里以 上。
6-1 磁化率

6-1 磁化作用与电极化作用的比较
磁化性质 真空 固体极化 总强度 电极化性质
物理量
6-1 原子磁矩的产生

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6-1 量子化组态
原子核外电子态以量子数来表示（单电子近似下）： n 主量子数：决定轨道（或电子）能量的主要量子数 l角量子数：电子空间运动的角动量，以及原子轨道或电子云的形状 m 磁量子数：原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向 s自旋量子数：电子的自旋量子数

加磁场前
增加磁场时
饱和磁化
6-2 铁磁性：剩磁与磁滞

饱和磁化
撤去磁场
6-2 反铁磁性和亚铁磁性
当原子间的交换作用使各相邻固有磁矩的排列方向相反 时： 各原子的固有磁矩大小相等， 则这些固有磁矩相互抵消，宏 观上不表现出磁化现象，称为 反铁磁性 各原子的固有磁矩大小不等， 则这些固有磁矩不能完全抵消， 宏观上表现出磁化现象，称为 亚铁磁性 反铁磁体大多是金属化合物，如NiO2、CuO、CrO2等，也 有少量金属，如Cr、α-Mn等 亚铁磁体绝大部分是金属氧化物，一般称为铁氧体，如 Fe3O4（天然磁石）
6-5 超导电现象及理论
零电阻现象 完全抗磁性 超导体的临界参数 BCS理论
6-5 零电阻现象

0.150 0.125 0.100 R/Ω
0.075
0.050 0.025 0 4.00 4.10 4.20 T/K 4.30 4.40
6-5 超导转变温度

典型超导合金
NbTi NbZr 9.5 11
Z=1~10各原子 的组态
p=g√(j(j+1))计算值 8 7 6 5 4 3 2 1 0
p=g√(s(s+1))计算值
实验值
3d1: Ti3+, V4+3d3: V2+, Cr3+, Mn4+ Cr2+ 3d2: V3+ 3d4: Mn3+, Mn2+, Fe3+ Fe2+ d7: Co2+ d8: Ni2+ d9: Cu2+ 3d5: 3d6: 3 3 3
超导材料 NbN V3Ga Mo0.92Hf0.05C0.75 16.1 14.6 14.2
Nb3Al V3Si
17.5 17.1
Nb Pb
9.2 7.2
6-6 高温超导体

6-6 高温氧化物超导体的结构特点
具有层状钙钛矿型结构 氧空位化学计量数变化 范围很大，以至于导致 晶格畸变 晶格结构中存在二维 CuO4层面，作为高温超 导体的导电平面而至关 重要 氧含量和分布对性能有 重要影响
6-5 超导体的临界参数和类型

正常态
超导态
6-5 BCS理论
BCS理论由巴丁(J. Bardeen)、库珀(L. Cooper)、施莱弗(J. Schrieffer)三人共同建立，三人因此共享1972年诺贝尔物 理学奖。 不同于以往从实验现象出发作出假定或建立模型的唯象理 论，BCS理论从电子 – 声子相互作用出发，给出了描述超 导电性的完整理论，回答了超导电性的来源和起因。 BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以借声子 为媒介配对，形成所谓“库珀对” 。在很低的温度下，这 个库珀对的结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样， 电子对将不会和晶格发生能量交换，库珀对在晶格当中可 以无损耗的运动，也就没有电阻，形成所谓“超导”。
6-3 自旋极化
由于交换作用，铁磁体中会形成磁畴，产生自发磁化。 自发磁化是由于自旋向上与向下的电子数密度不相等，所 以又叫自旋极化。 利用自旋极化原理制作的器件不但可以利用磁场控制输出 状态，还能实现电压和电流放大功能，表现出晶体管的特 性。这种器件是由自选状态决定信息的传递与变化，称之 为自旋晶体管。 自旋晶体管不但可用作存储元件，还可组成逻辑电路和处 理器，同时具有存储和运算功能。较之硅材料半导体原 件，速度较慢，但具有功耗低、密度高、耐辐射、温度敏 感性低和利用磁滞性质具有记忆功能等优点。
6-4 自旋电子学
Much faster, less power cost spintronic devices
Awschalom, D. D. and Flatte, M. E. Nat. Phys., 3(2007）
6-4 稀磁半导体
DMS = Semiconductor + Magnetic impurities Advantage: charge + spin
L
电子填充未半满时，轨道角动量L和自 旋角动量S都是由同样的电子如左图5个自 旋向上的电子决定，因此是L-S 电子填充超过半满时，轨道角动量是由 自旋向下的2个轨道决定L=3+2=5，而自旋 角动量是由未成对的另外5个自旋向上的 电子决定，因此是L+S
µ =µ -µ J L s
µ =µ +µ J L s