《磁性测量》第二讲原理和技术

中国科学院物理研究所通用实验技术公共课程《磁性测量》赵同云磁学国家重点实验室2020年1月9日第二讲：原理和技术声明本讲稿中引用的图、表、数据全部取自公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教学使用，任何人不得将其用于商业目的。目录•中子散射电磁感应定律磁光效应磁电效应磁力（学）效应磁共振效应•磁热效应中子散射的原理和技术中子的特性中子的磁散射中子散射在磁性测量中的独特地位中子散射的原理和技术NeutronScatteringfromMagneticMaterials,TapanChatterjied.,ElsevierB.V.,Amsterdam(2006).《中子衍射技术及其应用》（《现代物理基础丛书》第42卷），姜传海、杨传铮，科学出版社，2012年。《中子物理学：原理、方法与应用》（上册、下册），丁大钊、叶春堂、赵志祥，原子能出版社，2005年。参考资料：中子的特性SirJamesChadwick（1891～1974）1932年1935年约里奥居里夫妇（错过的粒子）发现者遗憾者1931年271Np5.050783531110JT2em1.9130427245n2710.966236472310JTnnN1.0011596521807627e261B928.4764302110JTee电子磁矩：中子磁矩：271Be927.4009682010JT2em电子质量：me=9.10938291(40)1031kg中子质量：mn=1.674927351(74)1027kg取自CoData2010中子的特性LouisdeBroglie（1892～1987）1924年152.14242110mdr152.81794032672710mer经典电子半径：中子半径：？取自CoData2010deuteronrmschargeradius：粒子？波？21n2BmvkT中子的能量：快中子、慢中子、热中子、冷中子、…中子动能～热能nhmv222BB2exp2mmvfvvkTkTMaxwell-Boltzmann速率分布0dfvdv中子的特性热中子的波长：Bn21nhkmThmv温度（K）3002902007710000波长（nm）0.1780.1810.2180.3510.031速率（m/s）2223.922186.541815.821126.6912839.8能量（meV）25.85224.99017.2356.6353861.73无（线电是中子）所不能的中子的用处核物理研究：常规粒子无（线电是中子）所不能的材料性质研究：全能粒子材料性质改造：特种粒子晶体结构、磁结构、应力、动力学CHNO同位素制造、核废料再生中子的磁散射CliffordGlenwoodShull（1915～2001）ErnestOmarWollan（1902～1984）1994年BertramNevilleBrockhouse（1918～2003）技术谱学1940s～中子微分散射截面的主方程（masterformula）：000100110101012221n2111000,,012dkmppEEEdVdENkkkkk取自“参考资料1”下标“0”：入射；下标“1”：出射中子的磁散射1940s～散射截面：n0：单位面积的入射中子数入射中子样品（，）方向n：立体角内的出射中子数0,nn微分散射截面：00,limdndn01（E0,k0,0）（E1,k1,1）双微分散射截面：000,limEdnddEnE出射中子0p0p全微分散射截面：中子的磁散射1940s～几个算符：000100110101012221n2111000,,012dkmppEEEdVdENkkkkk1110002Vkk03S3BeL42RRBBRRpμB电子自旋和轨道磁矩所产生的磁场：S33B0L241nnNVRVVRsRBσRμp中子磁矩在电子所产生的磁场中的位势：VeB2μsnNμσelectroncorecoreelectronVVVV中子的磁散射1940s～几个算符：1011002Vkk中子的散射矢量算符：10qkk中子的位移矢量算符：irrR样品k0k1qrriRSLexpiiiiiiqDqrqsqpqDD磁相互作用算符：求和遍及所有的未成对电子31031RRpRsRkkq：单位波矢量中子的磁散射1940s～几个算符：0001001011012211021,,0em01dkrppEEEddENkσD21100σD0D0σD中子的磁散射1940s～几个算符：SSSBexpex2p1iiiiidqrrqrsρDMrq电子的自旋磁化强度算符：SiiiρrrrsSSexpidqMrrMrqSBS2Mrρr自旋的磁化强度（实空间）：自旋密度：自旋的磁化强度（动量空间）：SLexpiiiiiqiqrsDDqqpqDSSDDqq（自旋）磁相互作用算符：中子的磁散射1940s～几个算符：LLBLeexp12xpiiiidiiqqrpMrqrrDMq电子的轨道磁化强度算符：LLexpidqMrrMrq轨道的磁化强度（动量空间）：SLexpiiiiiiqDqsqqDqrpDLLDDqq（轨道）磁相互作用算符：中子的磁散射1940s～几个算符：LBBS112exp2idqDMDqMrDrr电子的总磁化强度算符：LLSSMqMρMMqMrMqr总磁化强度：SLexpiiiiiiqsDqrqpDqDqSLDDDqDqDDqq磁相互作用算符：中子的磁散射1940s～什么意思：SLDDqqDDDDqqk1k0q0k1k2dSdrqDDDqqB12DMqDDDqqDq0D//qD0σDσD在特定方向可以检测到被磁（化强度）散射的中子与中子散射矢量q的关系：中子的磁散射1940s～与中子自旋取向的关系：01012100,pσDxyxzzyDDDDσ11100010DD0110011001100110DDDD热中子：，：笛卡儿坐标系的坐标分量中子的磁散射1940s～，：笛卡儿坐标系的坐标分量221i00110,pPauli自旋算符的性质：Kronecker’sdelta：001010010101221e0110,m021e0110,m011dddEkrpEEENkkrpEEENkDDDDqq与中子自旋取向的关系：中子的磁散射1940s～，：笛卡儿坐标系的坐标分量与中子自旋取向的关系：qqDDDDDDDDqqDDqqDDDqDq21qηqη磁化强度散射矢量方向性中子的磁散射1940s～最后一个通用方程：与磁矩位置的关系：空间位置/22e1m02em/10,0,,2120,1iEtiEtrdkddENkrDDtedtqqDDktNedtkqqqq01101exp/exp/2EEEiEEtiEtdtDiracDelta：01EEE局域电子、巡游电子、自旋-轨道耦合中子的磁散射1940s～（例）局域电子体系：与磁矩位置的关系：'22e*1''m0'/0012iiiiiiiiiitiEtrdkqqffddENkedteteqRqRqq原子位置关联函数磁矩取向关联函数f(q)：中子磁散射的形状因子（磁性电子密度分布）f(q)：随散射角增大，衰减比X射线更快；中子核散射的形状因子：与散射角度无关。空间位置中子的磁散射1940s～（例1）顺磁体系：空间位置漫散射项：222221113112222zzzzzSSSSqSSSSBragg散射项：232021zzSqvqτ2211zqqzk1k0q外加磁场BBravais胞倒格矢磁场中的顺磁体中子的磁散射1940s～（例2）铁磁体系：空间位置322e2022av12dWfdredvSqqτqη2av213qηk1k0q外加磁场BBravais胞倒格矢饱和磁化的铁磁体：各向同性的铁磁体：22110qητη211qη中子的磁散射1940s～（例3）反铁磁体系：空间位置m322e0m2avMm221dWdredvFqqτqηmmττk晶格（原子核）的Bravais胞倒格矢各向同性的铁磁体：磁（矩）晶格的Bravais胞倒格矢磁结构的波矢111222,,mk简单立方中子散射的独特地位磁结构的唯一性问题：逻辑中子散射的实验：仪器和样品实验数据的解析：磁群（二色群）同步辐射的磁散射：第二个？中子散射：目前，唯一的、可信赖的、直接判定磁结构的技术。MTHM反铁磁性？超顺磁性？自旋玻璃？磁晶各向异性？…铁磁性？亚铁磁性？超顺磁性？…原命题：如果A成立B成立；（A是B的充分条件）逆命题：如果BA成立；（A是B的必要条件）否命题：如果A不成立B不成立；（A是B的必要条件）逆否命题：如果B不成立A不成立；（A是B的充分条件）原命题与逆否命题一定为真；逆命题和否命题不一定为真；所有命题都为真，则A是B的充分必要条件（充要条件）应该注意的问题•逻辑如果A成立B成立A是B的充分条件；B是A的必要条件设“A”＝“具有铁磁性”；“B”＝“存在磁滞迴线”如果“具有铁磁性”必然“存在磁滞迴线”如果“存在磁滞迴线”不一定“具有铁磁性”充分条件非必要条件学会了多少知识学会了使用多少知识0()CTT电磁感应原理FaradayLawofElectromagneticInduct