B磁性物理基础-2ppt课件

6. 自旋玻璃和混磁性：有固有磁矩，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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物质磁性分类的方法：
物质在磁场下的行为—磁化曲线可以作为物质磁性分类的方法
抗磁性： <0
M H
--------物质的磁化率
在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性。它出现在没有原
它出现在没有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化 率是负的，而且很小，~ -10-5。
产生的机理：
外磁场穿过电子轨道时，引起的 电磁感应使轨道电子加速。根据楞 次定律，由轨道电子的这种加速运 动所引起的磁通，总是与外磁场变 化相反，因而磁化率是负的。
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M∘
i
°e
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1.1 半经典理论：
每个原子内有z个电子，每个电子有自己的运动轨 道，在外磁场作用下，电子轨道绕H进动，进动频率为 , 称为拉莫尔进动频率。由于轨道面绕磁场H进动， 使电子运动速度有一个变化dυ。使电子轨道磁矩增加 dm，但方向与磁场H相反，使总的电子轨道磁矩减小。 如果>p/2(电子旋转方向相反),则进动使电子运动速度 减小，使在磁场H方向的磁矩减小，所得磁化率仍是负 的。总之，由于磁场作用引起电子轨道磁矩减小，表 现出抗磁性。
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H
抗磁性
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各种磁性的典型M-T , -T 关系
顺磁性
亜铁磁性
M
c补偿点
Tc居里点
1/
0
T
反铁磁性
N耐耳点
0
c Tc T
磁场冷却
M 混磁性
ห้องสมุดไป่ตู้
零场冷却
0
N
T
0
M
铁磁性
Tc居里点
P顺磁居里点
1/
T
H=0 自旋玻璃
H≠0 Tf冻结温度
0
Tc P T
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0
Tf
T
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一、抗磁性
在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称 为抗磁性。
替换n，得到
n 3 nT 2 F
2
F
2 3n 3
2mk 8p
其中F为费密面能级EF决定的费密温度。用n'代替n后，得到
2
D
4mhm2 B2
p
3n13
3
此时抗与温度无关，称为朗道抗磁性。金属中的导电电子除具 有抗磁性，同时不可分开的还具有顺磁性，而且顺磁磁化率比抗磁
磁化率大三倍。
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由于电子沿z轴的运动不受磁场影响，所以总动能
E2pm z2 2mBH(nv
1) 2
这种部分量子化，相当于把H=0的连续谱变成
带宽为2mBH的窄带称为朗道能级。
根据统计物理，能量为En的态的数目为gn
个，因而系统相和为
z
geEn/kT n
n
其中En为总能量，考虑动量空间计算gn可表示为
2eV gn h2c Hdpz
金属的抗磁磁化率和电子磁化率(单位：emu/mol)
金属
铜Cu 银Ag 金Au
D (原子态)
-5.4x10-4 -21.56x10-4 -29.59x10-4
D(离子态)
-18.0x10-4 -31.0x10-4 -45.8x10-4
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假定电子轨道半径为r(m)的园，磁场H(Am-1)垂直于轨 道平面，根据电磁感应定律，将产生电场E(Vm-1)
因而
电子被电场加速，在时间间隔Δt内速度的变化Δυ
由下式给出 轨道绕磁场进动但不改变轨道形状，进动的角速度为
运动产生的磁矩为
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对闭合壳层的情况下，电子分布在半径为a(m)的球表面， r2=x2+y2，而z轴平行于磁场。考虑到球对称， x2y2z2a2/3
因而 r2x2y22/3a2
单位体积里含有N个原子，每个原子有Z个轨道电子时，
磁化率为：
a2是对所有轨道电子运
动半径a2的平均。
a
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1.2 金属的抗磁性
许多金属具有抗磁性，而且一般其抗磁磁化率 不随温度变化。
金属抗磁性来源于导电电子。根据经典理论， 外加磁场不会改变电子系统的自由能及其分布函数， 因此磁化率为零。
B.磁性物理的基础
三、物质的各种磁性
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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：有固有磁矩，间(直)接交换相互作用
5. 亜铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用
MNmBcothmkBTHmkBTH
( Z为系统相和 )
由于kT ≫mBH，展开上式，取二项，可得抗磁磁化率
DM H1 3V Nk mB 2T1 3nkmB 2 T
n为单位体积电子数。
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上式给出的抗与T有关，这与事实不符，原因是电子气不遵从 玻耳兹曼统计，而是服从费密(Fermi)统计。不是所有电子都参与 抗磁性作用，只有费密面附近的电子对抗磁性有贡献，因而用n'
经典的图象：
在外磁场作用下形成的环形电流在金 属的边界上反射, 因而使金属体内的 抗 磁性磁矩为表面“破折轨道”的反向磁矩 抵消。
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朗道指出:
在量子力学理论内，这个结论是不正确的。他首先证明，
外磁场使电子的能量量子化，从连续的能级变为不连续的 能级，而表现出抗磁性。
导电电子在外磁场作用下，运动轨道变为螺旋形状，在
子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是负的，而且很小。-10-5。 顺磁性： >0
物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩 耒源于未满的电子壳层，但由于热骚动处于混乱状态， M 在磁场作用下在磁场方向产生磁化强度，但磁化强度 很小。10-5-10-2
铁磁性： >>0
铁磁性 顺磁性
物质中原子有磁矩；原子磁矩之间有相互作 用。原子 磁矩方向平行排列，导致自发磁化。外磁场作用下，快 速趋向磁场方向，在磁场方向有很大的磁化强度。
垂直于磁场的平面内，产生园周运动。把园周运动分解成
两个相互垂直的线偏振周期运动(设分别沿x轴和y轴的周期
线性振动，动量p2=p2x+p2y)。这样的线性振子所具有的分
立能谱为
En
(n
1) 2
H
其中，nv为整数，H为回旋共振频率，可以求出
ħH=2mBH，正是拉莫尔进动频率的两倍(|H|=2|L|).
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l=r+1
0
l=r
2m0H
2 1 l=0
在外磁带H 作用下电子能带汇 聚成能级的情况。
把z的求和改成在动量空间中的积
分，通过计算，最后得到的相和为：
z
eVH h2c
2p mkT sinh mB H
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kT
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由于热力学势 dM dHSdT
NkTlnz
所以可得到
MNkT d lnz
T
dH
lnzlnH lnsinhmk B T Hln2p h2 m ckT