A磁性物理基础-晶场中的原子磁矩07.

A、磁性物理的基础一、序言二、晶场中的原子磁矩三、物质的各种磁性四、磁有序的基本相互作用五、磁各向异性与磁致伸缩六、磁畴与技术磁化过程黄帝司马迁《史记》描述黄帝作战用指南针东汉王充在《论衡》描述“司南勺”1086年宋朝沈括《梦溪笔谈》指南针的制造方法等1119年宋朝朱或《萍洲可谈》罗盘用于航海的记载磁石最早的著作《DeMagnete》W.Gibert18世纪奥斯特电流产生磁场法拉弟效应在磁场中运动导体产生电流安培定律构成电磁学的基础,电动机、发电机等开创现代电气工业1907年P.Weiss（外斯理论）的磁畴和分子场假说1919年巴克豪森效应（验证磁畴）1928年海森堡交换模型，用量子力学解释分子场起源（计算铁磁性物质磁化强度）1931年Bitter在显微镜下直接观察到磁畴（贝特粉末法）1933年加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体（硬磁铁氧体，充磁后可以向外部提供磁场）一、序言--磁学是既古老又年青的学科磁性与磁性材料的发展史1935年荷兰Snoek（斯努克）发明软磁铁氧体1935年Landau和Lifshitz考虑退磁场（磁化时产生的反向附加场）,理论上预言了磁畴结构1946年Bioembergen发现NMR效应1948年Neel（奈耳）建立亜铁磁理论1954-1957年RKKY间接交换相互作用的建立1958年Mössbauer效应的发现1960年非晶态物质的理论预言（近程有序，长程无序）1965年Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金1970年SmCo5（）稀土永磁材料的发现1982年扫描隧道显微镜（STM，由隧道电流获得信息）,Brining和Rohrer,(1986年,AFM)1984年NdFeB稀土永磁材料的发现Sagawa(佐川)1986年高温超导体，柏诺兹和缪勒发现了35K超导的鑭钡铜氧体系，Bednortz-muller1988年巨磁电阻（外磁场的作用下电阻发生显著变化）GMR的发现,M.N.Baibich2007诺贝尔奖阿尔贝费尔A.Fert和彼得格林贝格尔P.Grünberg1994年CMR庞磁电阻（电阻率有特大幅度变化的超巨磁电阻效应）的发现，Jin等LaCaMnO31995年隧道磁电阻TMR的发现（外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向,从而使得隧穿电阻发生变化）,T.Miyazaki汉（公元前206－公元220年）。盘17.8×17.4厘米,勺长11.5，口径4.2厘米。司南由青铜地盘与磁勺组成。地盘内圆外方；中心圆面下凹；圆外盘面分层次铸有10天干，十二地支、四卦，标示二十四个方位。磁勺是用天然磁体磨成，置于地盘中心圆内，勺头为N，勺尾为S，静止时，因地磁作用，勺尾指向南方。此模型是王振铎先生据《论衡》等书记载并参照出土汉代地盘研究复制。司南硬磁驱动片永磁马达磁记录介质磁头1TB(1000GB)存储的文件可打印1亿令纸(500张为1令)，耗费5万多棵树；可存储播发16天的DVD品质的影音文件；可存储100万张图片；可连续播发2年的音乐。计算机硬盘永磁在汽车上的应用起动马达速度传感器风扇马达水泵马达窗户升降CD马达安全带马达油泵马达雨刷马达位置调整马达太阳顶马达前洗刷泵功率操纵马达前灯门马达CompassingGlobalPositionSystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProductsTheWorldofMagneticSensors磁学是一门即古老又年轻的学科。磁学基础研究与应用的需求相互促进，在国防和国民经济中起着重要作用。磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。MEMS(微型电机)的发展不可避免的会使用各种类型的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。二、晶场中的原子磁矩1、原子的磁矩2、晶场中的原子磁矩3、轨道角动量冻结4、高自旋态与低自旋态5、Jahn-Teller效应6、局域磁性与巡游磁性1.1原子的电子结构原子的经典玻尔模型：Z个电子围绕原子核做园周运动,核外电子结构用四个量子数表征：n.l.m.s(多电子体系)n:电子轨道大小由主量子数n决定n=1,2,3,4,………的轨道群又称为K,L,M,N,…….的电子壳层l:轨道的形状由角动量l决定l=0,1,2,3,……..n-1又称为s,p,d,f,g,……..电子m:当施加一个磁场在一个原子上时，平行于磁场的角动量也是量子化的。l在磁场方向上的分量由磁量子数m决定m=l,l-1,l-2,……0,…..-(l-1),-lS:电子自旋量子数由s决定12S●KLMZe1、原子的磁矩n,l,m表征的一个电子轨道上如果有两个电子，虽然它们的自旋是相反的，但静电的库仑排斥势,仍然使系统能量提高。因而一个轨道倾向只有一个电子占据。(从能量最低原理出发)泡利不相容原理：同一个量子数n，l，m，s表征的量子状态只能有一个电子占据。库仑相互作用:原子的电子结构—占据壳层的规律洪德法则：(1)未满壳层的电子自旋si排列：电子由于库仑排斥而倾向于取不同轨道，而原子内的自旋-自旋间的相互作用使自旋平行排列，从而总自旋S取最大值。(泡利不相容原理)(2)每个电子的轨道矢量li的排列：电子倾向于同样的方向绕核旋转,以避免靠近而增加库仑排斥能，使总的轨道角动量L取最大值.(3)由于L和S间的耦合，电子数n小于半满时J=L-S，电子数n大于半满时J=L+S。全满（s2、p6、d10、f14）半满（s1、p3、d5、f7）全空（s0、p0、d0、f0）(洪德法则一般的描述只有(1)和(2)项)nl11s21s,2s,2p31s,2s,2p,3s,3p,(4s),3d4(4s),4p,4d,(5s,5p,6s),4f,5d0-112-2HmS1212轨道和自旋角动量的空间量子化m=1ZZm=2Zm=0不同磁量子数对应的轨道形状nnlmS量子数原子的电子结构—占据壳层的规律如果轨道的电荷分布偏离球对称，玻尔轨道的形状发生变化。如图3s轨道是椭圆形的，一部分轨道离核近，s电子的原子波函数在核附近非常大。S电子与核的库仑相互作用(相互吸引，能量低)，使电子先占4s轨道，后占3d轨道。同样5S电子先于4f电子占据轨道。计算机画出4s电子含Z轴原子波函数空间分布图,在原点4S电子波函数不为零为什么电子先占4s，再占3d？A.核外电子壳层：电子自旋磁矩1.2原子中的几种磁矩lmeMl20=1.165x10-29(Wbm)002sBeeMPMmmB.核磁矩0336.33102pNeMxWbmmC.中子磁矩为-1.913MN的核磁矩(中子衍射、中子散射)(一个核磁子)(一个玻尔磁子)核磁矩mp质子的质量11836epmmme=9.1094x10-31kg电子轨道磁矩mp质子的质量11836epmmme=9.1094x10-31kg223eQzrd核四极矩是电荷密度，r电荷的径向矢量，z平行于核自旋的坐标轴。电荷分布为球对称则r2=x2+y2+z2=3z2,则Q=0.如果核周围的原子分布不是立方对称，电场随位置变化，由此在核处产生一个沿某特殊晶轴z0方向的电场梯度E/z0。沿z0轴的电场由E=-/z0给出，这个负的电场梯度为EEEEQ0q0Q0q0核四极矩和在核处的电场梯度2200Eeqzz这里q是以e为单位量度的电场梯度。d.核四极矩1.3电子的轨道磁矩原子磁矩耒源于电子的轨道运动和电子的自旋。众所周知，电子轨道运动是量子化的，因而只有分立的轨道存在，换言之、角动量是量子化的，并由下式给出Pl普郎克(Planck)常数：玻尔磁子(Bohrmagneton))(10055.1234JSxh02LBeMlMlm电子的轨道磁矩220022ereMr2Pmr电子的角动量是：02eMPm电子的轨道磁矩：2901.165102BeMxWbmm°●PMLeiv1.4电子的自旋磁矩与自旋相联系的角动量的大小是ħ/2，因而自旋角动量可写为：sPS是自旋角动量量子数21自旋磁矩PmeM0通常磁矩M和P之间的关系由下式给出：PmegM20这里g因子(g-factor)对自旋运动是2，而对轨道运动是1。sMsmexMBs2220lMlmexMBL210不论是自旋磁矩，还是轨道磁矩，都是玻尔磁子MB的整数倍。PMse(v：电子的速度，l：电子的轨道角动量，s：电子自旋，i：核电流，i电子电流H：核电流产生的磁场)结论：一个电子的L和S总是方向相反，壳层中电子数目少于最大数目一半时，所有电子的L和s都是相反。同时轨道磁矩µL和µs也是反平行。一个电子绕核(核电荷为Ze)旋转，看轨道与自旋的关系。电子绕核运动核绕电子运动1.5自旋-轨道耦合ssµLiiv+lsH-evil–s耦合根据电磁学计算核电流产生的磁场(H)μs:电子的自旋磁矩λc：自旋-轨道耦合常数核的势能V(r)=Ze/r时用量子力学求得的球对称V(r)，得到的考虑量子效应得到的λ是经典λc的一半，晶场中的λ值大约是自由原子的70-80％。3d电子λ=102(cm-1);4f电子λ=103(cm-1)drdVrB122drdVrdrdVrcmeBc14122222(经典)(量子效应)3eZelHmcr22223sceeZHlslsmcr自旋-轨道耦合的表达式根据洪德法则:在一个填满的电子壳层中，电子的轨道磁矩和自旋磁矩为零。在一个未填满的电子壳层中，电子的轨道和自旋磁矩如何形成一个原子的磁矩。总自旋角动量：S=∑si总轨道角动量：L=∑li合成矢量受自旋-轨道耦合作用的控制：w=λL·S形成总角动量：J=L+S(J=L-S，小于半满，J=L+S，大于半满)1.6电子壳层中的原子磁矩JLS12Lll12Sss总角动量的矢量合成J轨道角动量与轨道磁矩：ML=-MBL自旋角动量与自旋磁矩：MS=-2MBS总角动量与总磁矩：MJ=ML+MS=-MB(L+2S)由于L和S绕J进动，矢量L+2S也绕J进动，它的大小在J上的投影MS：MS=-gMBJ给出的磁矩称为饱和磁矩。式中：gJ=|L+2S|cosBOC=J+ScosABO简单的三角计算得L2=J2+S2-2JScosABO消去cosABO得JLSJJgJ2222得g的表达式222221JLSJg在量子力学中用S(S+1),L(L+1),J(J+1)代替S2,L2和J2)1(2)1()1()1(1JJLLSSJJg兰德因子总角动量与磁矩的关系当一个磁性原子放入磁场中时，矢量J的空间量子化，J可取下列分立值Jz=J,J-1,J-2,…….,0,…….-J+2,-J+1,-JJ的空间量子化影响磁化强度的统计平均计算，由磁化强度的热平均导出的原子磁矩为：电子结构常用光谱项表示：L=0,1,2,3,4,5,6,….并记号为S,P,D,F,G,H,I,…..)1(JJgMMBeff兰德经验的引入g为解释原子光谱的超精细结构。而当S=0，J=L，则g=1(电子轨道磁矩)；当L=0，J=S，则g=2(电子自旋磁矩)。与以前结果一样。例如：Fe2+S=2,L=2,J=4则5D4;Pr3+：S=1,L=5,J=43H4称为有效磁矩。2s+1LJ电子填充超过半满时，轨道角动量L是由自旋向下的二个轨道决定L=3+2=5,而自旋角动量S是由未成对的另外五个自旋向上电子决定，S=5/2,因此是J=L+S=15/2.一个电子的l和s总是方向相反，壳层中电子数目少于最大数目一半时，所有电子的l和s都是相反。同时轨道磁矩µl和µs也是反平行。电子填充未半满时，轨道角动量L和自旋角动量S如左图所示，是由5个自旋向上的电子决定，