磁性是人們研究較早的物理現(xiàn)象,但要完全理解磁性還需要等到量子力學(xué)的建立。磁性是基礎(chǔ)物理學(xué)的核心話題,比如磁單極子是否存在,海森堡模型,高溫超導(dǎo)的磁機(jī)制,量子霍爾效應(yīng),自旋玻璃等都是基礎(chǔ)物理學(xué)的重要課題。
此外磁性有非常重要的技術(shù)應(yīng)用,從電氣時(shí)代的發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī),到信息時(shí)代的磁存儲(chǔ),以及未來(lái)有可能蓬勃發(fā)展的自旋電子學(xué),磁性及磁性材料都發(fā)揮著核心作用。
磁性分以下幾類:抗磁性(Diamagnetism),順磁性(Paramagnetism),鐵磁性(Ferromagnetism),反鐵磁性(Antiferromagnetism)和亞鐵磁性(Ferrimagnetism)等。
各種磁性的分類(來(lái)源:wikipedia)
抗磁性(Diamagnetism)是一種弱磁性,當(dāng)我們給物質(zhì)施加磁場(chǎng)H的時(shí)候,物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生相反的磁化強(qiáng)度M,所有物質(zhì)都有抗磁性,只是大多數(shù)物質(zhì)的順磁性強(qiáng)于抗磁性,體現(xiàn)不出來(lái)而已。物質(zhì)的抗磁性可用電磁感應(yīng)定律予以解釋。
順磁性(Paramagnetism)也是一種弱磁性,磁場(chǎng)和磁化強(qiáng)度的關(guān)系是:M=χH,這里χ是磁化率(magnetic susceptibility),χ與溫度成反比(居里定律):χ=C/T,C是物質(zhì)的居里常數(shù)。
順磁性可以解釋為物質(zhì)中本來(lái)就有非零的磁矩(比如原子/分子中未配對(duì)電子的自旋磁矩),但磁矩與磁矩之間沒有相互作用,磁矩的取向是雜亂無(wú)章的,整體不體現(xiàn)出磁性,但當(dāng)我們給物體加上磁場(chǎng)H后,這些磁矩會(huì)傾向于平行磁場(chǎng)排列,因?yàn)檫@樣磁矩在磁場(chǎng)中能量會(huì)降低,這個(gè)能量的降低會(huì)與無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的能量kT競(jìng)爭(zhēng),體現(xiàn)為磁化率與溫度成反比的居里定律。
假設(shè)物質(zhì)中的磁矩和磁矩之間具有(有效的)相互作用,這個(gè)相互作用可以歸結(jié)為量子力學(xué)的交換積分(一般是通過超交換機(jī)制),交換積分J可以大于零,也可以小于零,當(dāng)J小于零的時(shí)候,物質(zhì)中的小磁矩傾向于平行排列,這就是鐵磁性(Ferromagnetism),當(dāng)J大于零的時(shí)候,相鄰晶格上的磁矩傾向于反平行排列,這就是反鐵磁性(Antiferromagnetism)。J大于零,相鄰晶格上的磁矩(自旋)不一樣,對(duì)應(yīng)的就是亞鐵磁性(Ferrimagnetism)。
鐵磁性,反鐵磁性和亞鐵磁性都可以寫為海森堡模型(Heisenberg model)的形式:
我們常見的磁鐵是鐵磁體,對(duì)于鐵磁體而言,即便沒有外加磁場(chǎng),因?yàn)榻粨Q積分小于零,物質(zhì)中的小磁矩依然傾向于平行排列,因?yàn)檫@會(huì)降低體系的能量。
鐵磁體滿足居里-外斯定律(Curie–Weiss law),
當(dāng)溫度T高于居里溫度θ時(shí),物質(zhì)處于順磁相,當(dāng)溫度低于θ時(shí),物質(zhì)處于鐵磁相。
由于靜磁能的存在,并且是大于零的,物質(zhì)中所有小磁矩都平行排列在能量上是不利的,這使得鐵磁體中會(huì)存在磁疇(Magnetic Domain),相同磁疇內(nèi),磁矩平行排列,并體現(xiàn)為一個(gè)較大的“總磁矩”,但不同磁疇之間磁矩的取向不同,磁疇的存在降低了靜磁能,同時(shí)磁疇壁又抬高了體系的能量。因此磁疇(可看做是一種拓?fù)浼ぐl(fā))隨外場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)變化成為材料物理與器件物理中重要的研究對(duì)象。
磁疇的存在可以降低靜磁能;
我們可以用磁光克爾效應(yīng)(Magneto-optic Kerr effect, MOKE),洛倫茲透射電鏡(Lorentz transmission electron microscopy, LTEM),磁原子力顯微鏡(Magnetic force microscopy, MFM)等技術(shù)手段來(lái)研究磁疇。
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