分子场理论.

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1、一. 定域分子场理论与反铁磁性的发现 二. 反铁磁性的分子场理论 参考姜书2.1；2.2节p70-83 在很长一段时间内，人们只知道抗磁性、顺磁性和 铁磁性的存在，是在对铁磁性的深入研究中，20世纪30 50年代，才又相继先从理论上认识到了反铁磁性和亚 铁磁性的存在，并得到实验事实的证实。对它们的理论 和实践研究极大地丰富了自发磁化理论，使我们对自发 磁化的起因有了更加全面的认识。 3.5 反铁磁性的“分子场”理论 与铁磁性不同，反铁磁性是 Neel 在使用“定域分子场” 概念过程中首先从理论上预言的，1936年他从理论上预言 了反铁磁体结构及磁化率随温度变化的特征现象，1938年 Bizet

2、te, Squire 和蔡柏林等人在 MnO 中观察到了这一预期 的现象，测出的转变温度为116K，1938年 Bitter 进一步发 展完善了这一理论，并命名这类物质为反铁磁物质。直到 1949年 Shull 用中子衍射方法证实了MnO具有 Neel 所预 期的磁结构以后，反铁磁性才得到完全的肯定。正是基于“ 反铁磁性和亚铁磁性的基本研究和发现”Neel获得了1970 年的Nobel物理学奖。这个基本事实被新近出版的一些教 材所忽视，理应予以恢复。 一. 定域分子场理论与反铁磁性的发现 Weiss分子场理论把分子场看作是存在于铁磁物质中的 均匀场，Heisenberg指出是原子间的交换作用产

3、生了分子 场，这种交换作用是短程的，只和最近邻原子有关，所以 对于两种无规分布的原子A和异类原子B组成的铁磁合金来 说，每种原子的环境是完全不同的，再使用统一的分子场 显然是不合适的，为此，1932年Neel提出了“定域分子场”的 概念，即分别作用在 A 和 B原子上的分子场： 在保留分子场理论简明性的基础上求出了A B类型合金磁化率 的表达式，其系数和 A B 两类原子的相对数量及两种原子自 身的居里常数 有关。 背景知识 特别重要的是 这里得出的 曲线不再是直线，而是双曲线。其结 果很好地解释了Pt-Co合金的性质，1934年Neel又用“定域分子 场”模型解释了Fe-Co,Fe-Ni,C

4、o-Ni 合金的性质。 完全不同于普通顺磁性的磁化率双曲线形式虽很快被实验 证实， Neel 的“定域分子场”理论未被当时的学术界所接受， 1936年Neel执着地继续用“定域分子场”概念处理了由磁化强度 分别为MA和MB 的两个次点阵 A 和 B 组成的系统，并假定： 他得出的结果是：两种次点阵的反平行自发磁化应在某一温度 TN 时消失，由此他发现了一类新的磁性物质，这类物质的特点 是： 近邻自旋由于交换作用而反平行排列，它们的磁矩因而 相互抵消。所以它不产生自发磁化磁矩，在外磁场中只显出 现很微弱的磁性（数值上类似顺磁性）。但与顺磁体不同的 是自旋结构的有序化，如左下图所示。它最大特征是其

5、磁化 率温度关系有一个极大值。 当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合的作用，正负自 旋转向磁场方向的转矩很小，因而磁化率很小。随着温度升高 ，有序的自旋结构逐渐被破坏，磁化率增加，这与正常顺磁体 的情况截然相反。然而在某个临界温度以上，自旋有序结构完 全消失，变成通常的顺磁体，因而磁化率在临界温度显示出一 个尖锐的极大值，这是该类物质特有的表现。 1938年在MnO中发现了这样形状的磁化率温度关系，证 实了 Neel 的推论。同年Bitter进一步发展了Neel理论，并命名 这类磁性为反铁磁性。Phys.Rev.54,79(1938) 反铁磁体的临界温度，后来根据 Gorter 的建议被称为“

6、 奈耳温度” （Neel temperature），从物理意义上理解，它和 居里温度性质是一样的，都是自发磁化消失的温度，我们要注 意不同文献中名称使用的习惯差别。 以上参考 1970年Neel的讲演：磁性和定域分子场 1938年Squire ,Bizette和蔡柏林等人才在 MnO 中观察到 了这一预期的现象 C.R.Ac.Sci.207,449(1938) 对于反铁磁性物质的发现，Neel自己的评价是中肯的：“ 从理论观点来看是很有意义的，但在实际应用中并未有特殊价 值。”不过，由反铁磁性的研究引出对亚铁磁性的认识，却给 磁性材料和磁性应用带来了巨大的推动作用。 1.2节中曾给出一些反铁磁

7、化合物，这里再例举一些反铁 磁金属和合金。 TN-Mn-Mn Cr单晶Cr多晶 -Fe MnFe 95K390 312500 40490 复杂 结构 面心 四方 bccbccfcc 心得：海森伯直接交换作用中，如果交换积分为负，相邻原子自旋磁 矩就会反平行排列，但是当时并没有预计到这种反平行排列会是一种 新的磁性类型，是Neel预见到了反平行排列带来了完全不同于铁磁性 的性质。 反铁磁自旋有序首先由Shull和Smart利用中子衍射实验在MnO 上证实。MnO的晶体结构是Mn离子形成面心立方晶格，O离子位 于每个Mn-Mn对之间。从中子衍射线，超过奈耳点的室温衍射图 与奈耳点以下80K温度的衍

8、射图比较，看到低于奈耳点的衍射图有 额外的超点阵线，通过分析得到反铁磁的磁结构。 考虑磁化强度分别为MA和MB两个次点阵A、B 组成的 系统，例如简立方和体心立方晶体的情形： A,B两个次晶格，互为最近 邻，是最近邻相互作用占 主导地位时的情况。 二. 反铁磁性的分子场理论 这种结构的最大特点是：A,B 点阵互为最近邻，次近邻 是同点阵的原子，Neel 假定： 所以作用在A,B 点阵上原子的分子场可以写作： 如假定A,B 位上为同类原子，则： 0 K两个次点阵磁化强度反平行的假定，要求 ， 次近邻的分子场系数可正可负，这里假定： 所以，最近邻和次近邻产生的分子场是同方向的。 按照Weiss分子

9、场理论,两个次点阵的磁化强度可以写作： 这里N 是单位体积的原子数， 是布里渊函数 体系的总磁化强度： , 下面我们分别求出T0K的情况。 外磁场为零，高温情形，即： 其中： 整理后，有： 方程有解的条件是其系数行列式为零。由此给出： 1. 自发磁化消失的温度 这是自发磁化消失的温度，后称作Neel 温度。 的条件是： 最近邻的分子场系数 越大，次近邻的分子场系数 越小，Neel 温度越高。 Neel 还指出，同铁磁体在自发磁化消失的居里温度会发 生反常的行为一样，反铁磁体在这个温度也会发生类似 比热反常等行为。 当温度高于这个临界温度时， 同时为零。 反铁磁体的比热和 热膨胀系数在 TN 附

10、近都有明显的反 常现象，都证实了 Neel 的预见。 给出了与铁磁体不同的居里-外斯定律表达式。 2. 高温下的顺磁磁化率 TN -Tp T 从磁化率温度关系上可以明显地看出这是与顺磁性， 铁磁性不同的一类新的磁性。 这里出现了一个有意思的结果： 更仔细的讨论发现，这个表 达式只是在： 条件下成立。当 变得很大时， 两个次晶格的状态不稳定，而要分成四个或更多的次晶格。 a. 外磁场方向与自旋轴平行的 磁化率0 假定外磁场方向与MB一致，MA与磁场方向相反,为负值。 在不加外磁场， 0 K时，磁场对两个次点阵的力矩为零， 此时的磁化率应为零。 随着温度从0K不断升高，磁矩有序被 破坏的程度越来越

11、大，受外磁场的影 响越来越大，所以磁化率随温度增高 而增大，直到TN处达到最大值。 具体推导见戴书p153156 3. 低于转变温度时磁化率 此时，次点阵磁矩一直受到外场 H 和分子场 Hm 的共同 作用，忽略次近邻作用，只考虑最近邻作用时，可以得到： 是一个常数。 (另一解cos=0, H=) b. 外磁场垂直自旋轴的磁化率 以上推算结果如下图所示：（归一化） 推导见姜书p7981 单晶MnF2 磁化率测量证实了这种分析。 见Kittel 书p237，姜书 p72 有一类似图 c. 多晶的磁化率 假设外磁场与自旋轴的夹角为 , 平行与自旋轴的磁场为 H/=Hcos，垂直自旋轴的磁场为 H=H

12、sin, 因此对一个晶 粒的磁化率为 对于多晶材料，晶粒自旋轴是混乱分布的，因此要 对 在整个范围内取平均 在不考虑次近邻作用时，可以利用a，b 中的结果： 这可以很好的解释前面MnO粉末样品的测量结果（见图） 附录： 见戴书p158159 可以用作图法求出M(T)T关系，在我们的假定下，两个次晶 格磁化强度变化曲线是相同的，只是方向相反，所以总磁化 强度为零。在低于TN 的任何温度区域，虽存在自发磁化，但 又不表现出自发磁化强度，这是反铁磁性的基本特征之一。 d. 低温下的磁化强度 反铁磁结构和次点阵的构成方式有关，在其它情况或 许需要3个或更多个次点阵来表述，见姜书p76-77图。例 如前

13、面体心结构的另一种方式就需要4个次点阵来表述。见 姜书p82 上述结果是在最简单的情况下获得的，但它却定性地 反映出反铁磁结构的最本质特征。 说明： 我们可以类比 3.3节中对一维铁磁结构的处理办法， 求出一维反铁磁体中自旋波色散关系： 显然，反铁磁体中自旋波色散关系与铁磁体不同， 长波情形： 与 k 成线性关系， 实验表明在一个很大范围内，这是符合的。 中子非弹性散射实验证实，在MnF2中，直到样品温度 高达0.93TN，仍能观察到清晰可辨的磁子，这说明在 高温下，自旋波近似也是有用的。（Kittel p238) 三. 反铁磁自旋波 见Kittel 书p238 3.5 试用 Neel 局域分

14、子场模型，推出两个次晶格的反铁磁物 质存在一个自发磁化消失的温度 TN ，并定性说明在此温度 点，其磁化率温度关系曲线处于最大值。 习题三 Louis Neel（1904-2000) 法国著名的物理学家奈尔(Louis Neel)，1904年11月22日 出生于法国罗纳省里昂市。从1937年起，奈尔就担任法国斯 特拉斯堡大学教授，1946年受聘于格勒诺布尔大学担任同样 的职务。1953年，奈尔教授被选为巴黎科学院院土，1959年 成为苏联科学院士及荷兰皇家科学院院士。由于他开创了固体 磁性的研究，于1970年与瑞典的天文物理学家内斯阿尔文共 同获得诺贝尔物理学奖金。他的贡献主要是对于固体理方面的 发现，以及这一理论的许多有益的应用，尤其是在改进计算机 储存元件方面的应用。 围绕获奖的磁学领域，奈尔教授做过多方面的研究，曾发 表了200多篇研究论文。 科学研究的传承作用在几位法国科学家身上得到了很 好的体现： 居里 （18591906） 朗之万（18721946） 外斯 （ 18651940） 奈尔 （19042000) 费尔 （1938 Science Vol. 321, 1306 (2008)