铁磁性磁性耦合机理.pptx

会计学问题的提出
能带模型的物理图像
能带论对铁磁性自发磁化的解释
斯托纳判据
巡游电子模型的发展
金属铁磁性理论(lǐlùn)的发展现状
实验表明由饱和磁化强度测量给出的Fe，Co，Ni原子磁距的平均有效玻尔磁子数分别(fēnbié)为2.2,1.7,0.6,有悖于局域电子模型给出的结论，数值不同且不是整数。
按局域电子模型，与磁化率
有关的居里常数应为:
而由过渡金属磁化率测出的居里常数C无法给出整数或半整数自旋量子数S,且与饱和磁矩无关。在某些情况下有些金属的磁化率甚至不遵守居里-外斯定律。
3.过渡族金属的结合能和电子比热比正常金属大5－10倍，表明3d电子参与了导电。由饱和磁化强度测量给出的平均有效玻尔磁子数往往不是整数，其原因(yuányīn)是多方面的，对于过渡族金属，虽说由于晶场效应，轨道磁矩被冻结，主要是自旋磁矩所贡献，但因为一是因为自旋-轨道耦间的相互作用，依然会有一些轨道磁矩的影响，二是铁磁金属中在顺磁性离子实周围会出现一些局部感生传导电子磁化强度。但现在的问题是金属态的Fe，Co，Ni测量给出的磁矩值与严格按照局域电子模型计算出来的孤立原子的磁矩值相比要小的多，且不是整数。无法用局域电子模型解释。这一切都说明，对磁性有贡献的3d电子也参与了导电，不完全是局域电子，再用原子磁矩这个概念就很不恰当了，必须在能带论的基础上重新讨论过渡金属及其合金的铁磁性起因问题，按照能带论，3d，4s电子都可以在整个金属晶格周期场中运动，但与自由移动的4s电子相比，3d电子仍有一定的局域性，因此为了和局域电子模型相区别(qūbié)，在此观点建立起的铁磁理论又称作巡游（itinerant）电子模型。参与该模型早期建立工作的有：Bloch（1929），Wigner（1934），Stoner（1936），Mott（1935）,Slater（1936）等。过渡族金属中的3d和4s电子都能在周期性的晶格中巡游。它们(tāmen)形成的能带由于布里渊区的限制会有交迭，形成3d和4s的混合带，如图所示：=1以下是过渡金属3d和4s电子能态密度示意图，图中数字表示原子的平均电子数及所对应的费米面位置。可以看出3d和4s能带是交迭在一起的，4s是宽带(kuāndài)，3d是窄带，除去4s电子可以自由移动外，3d电子也会有一定程度的传导性（Cu没有）。实际Fe，Co，Ni的能带十分复杂，存在(cúnzài)很多峰和谷，后来的严格计算和实验结果基本是一致的（0K）三、能带论对铁磁性自发磁化(cíhuà)的解释使具有正自旋的态密度所具有的最低能量比负自旋的要低。即产生一个能带劈裂。由于(yóuyú)这个交换场Hm比通常的外加磁场强得多，因此交换作用引起的能带劈裂比顺磁金属在外磁场中的劈裂大得多，这就是出现自发磁化的原因。此时正自旋和负自旋能带中的电子数可表示为：见黄昆书p4234s能带的分裂(fēnliè)可以忽略不计Cu：3d104s1以上两图摘自Kittel书8版p227,228,Ni的数据和后面表中数据稍有不同(bùtónɡ)，是不同(bùtónɡ)计算结果所致。注意Ni的数据(shùjù)和前面图稍有不同该表取自《凝聚态物理(wùlǐ)上卷》p525虽说从能带观点可以解释清楚过渡金属的平均原子磁矩为什么不是整数，但要说明能带中的电子是如何产生交换作用的，及如何说明巡游电子的磁性却不是一件容易的事情，至今仍一直是磁学界深入研究的重要理论课题，目前一种普遍的观点认为这和电子间的关联效应有关。同一原子内3d电子自旋通过原子内交换作用相互耦合形成有序排列，它在巡游期间电子自旋的方向保持(bǎochí)不变，这又会和另外一个原子内的3d电子自旋相互耦合而有序，于是形成铁磁性。由于这种耦合来自原子内电子之间的交换作用，所以3d金属的居里点比较高。3d电子既不像4s电子那样可以用自由电子近似来处理，也不像4f电子那样可以完全看作是局域电子，所以我们称之为巡游电子。出现能带劈裂，发生自发磁化是有一定条件的，1936年Stoner采用能带模型讨论了金属的铁磁性，把3d电子看作是在金属晶格中巡游，假定简并的能带在交换作用下，发生分裂(fēnliè)，给出了0K出现铁磁性的稳定条件：(按姜书p185写法）传导电子（4s电子）基本是自由的，因此仅有很小的交换分裂并导致导带自旋向上和自旋向下的电子数目几乎相同。
3d电子不同，会发生较大的交换劈裂，可以理解为是洪德第一法则的遗迹：电子首先以平行自旋填充简并状态，这就使电子的库仑排斥势最小，因为电子占据了具有(jùyǒu)最小空间重叠的不同电子轨道状态，但在能带中的不同状态显然不是简并的，将所有电子放入自旋向上能带中以满足洪德法则必定需要消耗能量，能带越宽，态密度越小，消耗越大，而费米面附近的高的态密度（例如F