理解磁的量子本性有助于新磁性材料的開發(fā)，這些材料可用于永磁體，傳感器以及信息存儲(chǔ)。要開發(fā)這些應(yīng)用需要掌握基本的物理原理，如對(duì)稱性破缺、序參量、激發(fā)、阻挫以及約化維度。本書從電磁學(xué)與量子力學(xué)的基本概念開始，合理地闡述了上述理論。書中概述了原子中磁矩的起源以及在晶體內(nèi)部這些磁矩是如何受局域環(huán)境影響的，還介紹了磁矩間的各種不同類型的相互作用。最后幾張專門論述金屬的磁性和當(dāng)競爭磁相互作用存在及體系具有約化維度時(shí)的復(fù)雜行為�！禕R》 全書理論原理與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，充分討論了實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本書包括一百多張插圖以及一些關(guān)于基本原理的附錄�！禕R》 本書作者為牛津大學(xué)教授StephenBlundell。
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目錄
1 引論 1
1.1 磁矩 1
1.1.1 磁矩與角動(dòng)量 2
1.1.2 旋進(jìn) 3
1.1.3 Bohr磁子 4
1.1.4 磁化強(qiáng)度與場 4
1.2 經(jīng)典力學(xué)與磁矩 6
1.2.1 正則動(dòng)量 7
1.2.2 Bohr-van Leeuwen定理 8
1.3 自旋的量子力學(xué) 9
1.3.1 軌道與自旋角動(dòng)量 9
1.3.2 Pauli自旋矩陣與旋量 10
1.3.3 升降算子 12
1.3.4 二自旋的耦合 13
2 孤立磁矩 18
2.1 磁場中的原子 18
2.2 磁化率 19
2.3 抗磁性 20
2.4 順磁性 23
2.4.1 順磁性的半經(jīng)典處理 23
2.4.2 J=1
2 的順磁性 25
2.4.3 Brillouin函數(shù) 27
2.4.4 Van Vleck順磁性 30
2.5 離子的基態(tài)與Hund規(guī)則 30
2.5.1 精細(xì)結(jié)構(gòu) 31
2.5.2 Hund定則 32
2.5.3 L-S與j-j耦合 35
2.6 絕熱去磁 36
2.7 核自旋 38
2.8 超精細(xì)結(jié)構(gòu) 40
3 環(huán)境 45
3.1 晶體場 45
3.1.1 晶體場的起源 45
3.1.2 軌道猝滅 48
3.1.3 Jahn-Teller效應(yīng) 50
3.2 磁共振技術(shù) 52
3.2.1 核磁共振 52
3.2.2 電子自旋共振 60
3.2.3 Mossbauer譜 65
3.2.4 μ子自旋旋轉(zhuǎn) 68
4 相互作用 74
4.1 磁偶極相互作用 74
4.2 交換相互作用 74
4.2.1 交換的起源 74
4.2.2 直接交換 76
4.2.3 離子固體中的間接交換：超交換作用 77
4.2.4 金屬中的間接交換 79
4.2.5 雙交換作用 79
4.2.6 各向異性交換相互作用 81
4.2.7 連續(xù)統(tǒng)近似 82
5 序與磁性結(jié)構(gòu) 85
5.1 鐵磁性 85
5.1.1 鐵磁體的Weiss模型 85
5.1.2 磁化率 89
5.1.3 磁場的作用 89
5.1.4 分子場的起源 90
5.2 反鐵磁性 92
5.2.1 反鐵磁體的Weiss模型 92
5.2.2 磁化率 93
5.2.3 強(qiáng)磁場的作用 94
5.2.4 反鐵磁序的類型 96
5.3 亞鐵磁性 97
5.4 螺旋序 99
5.5 自旋玻璃 100
5.6 核有序 101
5.7 磁序的測(cè)量 102
5.7.1 磁化強(qiáng)度與磁化率 102
5.7.2 中子散射 103
5.7.3 其他技術(shù) 107
6 序與破缺的對(duì)稱性 111
6.1 破缺的對(duì)稱性 111
6.2 模型 115
6.2.1 鐵磁性的Landau理論 115
6.2.2 Heisenberg與Ising模型 116
6.2.3 一維Ising模型(D=1，d=1) 116
6.2.4 二維Ising模型(D=1，d=2) 117
6.3 破缺對(duì)稱性的后果 117
6.4 相變 119
6.5 剛性 121
6.6 激發(fā) 121
6.6.1 磁子 122
6.6.2 BlochT3/2定律 124
6.6.3 Mermin-Wagner-Berezinskii定理 125
6.6.4 自旋波的測(cè)量 126
6.7 疇 127
6.7.1 疇壁 128
6.7.2 磁晶各向異性 128
6.7.3 疇壁寬度 129
6.7.4 疇形成 130
6.7.5 磁化過程 131
6.7.6 疇壁觀測(cè) 132
6.7.7 小磁性粒子 133
6.7.8 Stoner-Wohlfarth模型 134
6.7.9 軟與硬材料 135
7 金屬中的磁性 140
7.1 自由電子模型 140
7.2 Pauli順磁性 143
7.2.1 基本推導(dǎo) 143
7.2.2 與局域行為的交疊 144
7.2.3 實(shí)驗(yàn)技術(shù) 145
7.3 自發(fā)自旋分裂帶 145
7.4 自旋密度泛函理論 147
7.5 Landau能級(jí) 148
7.6 Landau抗磁性 150
7.7 電子氣體的磁性 153
7.7.1 電子氣體的順磁響應(yīng) 153
7.7.2 電子氣體的抗磁響應(yīng) 156
7.7.3 RKKY相互作用 156
7.8 電子氣體中的激發(fā) 157
7.9 自旋密度波 159
7.10 Kondo效應(yīng) 161
7.11 Hubbard模型 161
7.12 中子星 162
8 競爭相互作用與低維度 166
8.1 阻挫 166
8.2 自旋玻璃 167
8.3 超順磁性 170
8.4 一維磁體 171
8.4.1 自旋鏈 172
8.4.2 自旋子 172
8.4.3 Haldane鏈 173
8.4.4 自旋Peierls轉(zhuǎn)變 173
8.4.5 自旋梯子 175
8.5 二維磁體 176
8.6 量子相變 178
8.7 薄膜與多層 180
8.8 磁-光學(xué) 182
8.9 磁電阻 183
8.9.1 鐵磁體的磁電阻 184
8.9.2 各向異性磁電阻 185
8.9.3 巨磁電阻 185
8.9.4 交換各向異性 187
8.9.5 龐磁電阻 188
8.9.6 Hall效應(yīng) 190
8.10 有機(jī)與分子磁體 191
8.11 自旋電子學(xué) 192
A 電磁學(xué)中的單位 194
B 電磁學(xué) 197
B.1 磁矩 197
B.2 自由空間中的Maxwell方程 198
B.3 自由與邊界電流 199
B.4 介質(zhì)中的Maxwell方程 200
B.5 邊界條件 200
C 量子與原子物理學(xué) 202
C.1 量子力學(xué) 202
C.2 Dirac左矢與右矢記號(hào) 203
C.3 Bohr模型 204
C.4 軌道角動(dòng)量 205
C.5 氫原子 206
C.6 g因子 207
C.7 d軌道 209
C.8 自旋軌道相互作用 210
C.9 Lande g因子 210
C.10 微擾理論 211
D 磁學(xué)中的能量與退磁化場 214
D.1 能量 214
D.2 退磁化因子 214
D.3 任意形狀的鐵磁體 216
E 統(tǒng)計(jì)力學(xué) 219
E.1 配分函數(shù)與熱力學(xué)函數(shù) 219
E.2 均分定理 220
F 精選問題的答案與提示 222
G 符號(hào)？常數(shù)與實(shí)用方程 230
索引 234
Contents
1 Introduction 1
1.1 Magnetic moments 1
1.1.1 Magnetic moments and angular momentum 2
1.1.2 Precession 3
1.1.3 The Bohr magneton 4
1.1.4 Magnetization and field 4
1.2 Classical mechanics and magnetic moments 6
1.2.1 Canonical momentum 7
1.2.2 The Bohr-van Leeuwen theorem 8
1.3 Quantum mechanics of spin 9
1.3.1 Orbital and spin angular momentum 9
1.3.2 Pauli spin matrices and spinors 10
1.3.3 Raising and lowering operators 12
1.3.4 The coupling of two spins 13
2 Isolated magnetic moments 18
2.1 An atom in a magnetic field 18
2.2 Magnetic susceptibility 19
2.3 Diamagnetism 20
2.4 Paramagnetism 23
2.4.1 Semiclassical treatment of paramagnetism 23
2.4.2 Paramagnetism for J=1/2 25
2.4.3 The Brillouin function 27
2.4.4 Van Vleck paramagnetism 30
2.5 The ground state of an ion and Hund's rules 30
2.5.1 Fine structure 31
2.5.2 Hund'srules 32
2.5.3 L-S and j-j coupling 35
2.6 Adiabatic demagnetization 36
2.7 Nuclearspins 38
2.8 Hyperfinestructure 40
3 Environments 45
3.1 Crystalfields 45
3.1.1 Origin of crystal fields 45
3.1.2 Orbital quenching 48
3.1.3 The Jahn-Teller effect 50
3.2 Magnetic resonance techniques 52
3.2.1 Nuclear magnetic resonance 52
3.2.2 Electron spin resonance 60
3.2.3 Mossbauer spectroscopy 65
3.2.4 Muon-spinrotation 68
4 Interactions 74
4.1 Magnetic dipolar interaction 74
4.2 Exchange interaction 74
4.2.1 Origin of exchange 74
4.2.2 Direct exchange 76
4.2.3 Indirect exchange in ionic solids: super exchange 77
4.2.4 Indirect exchange in metals 79
4.2.5 Double exchange 79
4.2.6 Anisotropic exchange interaction 81
4.2.7 Continuum approximation 82
5 Order and magnetic structures 85
5.1 Ferromagnetism 85
5.1.1 The Weiss model of a ferromagnet 85
5.1.2 Magnetic susceptibility 89
5.1.3 The effect of a magnetic field 89
5.1.4 Origin of the molecular field 90
5.2 Antiferromagnetism 92
5.2.1 Weiss model of an antiferromagnet 92
5.2.2 Magnetic susceptibility 93
5.2.3 The effect of a strong magnetic field 94
5.2.4 Types of antiferromagnetic order 96
5.3 Ferrimagnetism 97
5.4 Helical order 99
5.5 Spin glasses 100
5.6 Nuclear ordering 101
5.7 Measurement of magnetic order 102
5.7.1 Magnetization and magnetic susceptibility 102
5.7.2 Neutron scattering 103
5.7.3 Other techniques 107
6 Order and broken symmetry 111
6.1 Broken symmetry 111
6.2 Models 115
6.2.1 Landau theory of ferromagnetism 115
6.2.2 Heisenberg andlsing models 116
6.2.3 The one-dimensionallsing luodel (D=1, d=1) 116
6.2.4 The two-dimensionallsing model (D=1, d=2) 117
6.3 Consequences ofbroken symmetry 117
6.4 Phase transitions 119
6.5 Rigidity 121
6.6 Excitations 121
6.6.1 Magnons 122
6.6.2 The Bloch T3/2 law 124
6.6.3 The Mermin-Wagner-Berezinskii theorem 125
6.6.4 Measurement of spin waves 126
6.7 Domains 127
6.7.1 Domainwalls 128
6.7.2 Magnetocrysrallineanisotropy 128
6.7.3 Domain wall width 129
6.7.4 Domainformation 130
6.7.5 Magnetizationprocesses 131
6.7.6 Domain wall observation 132
6.7.7 Small magnetic particles 133
6.7.8 The Stoner-Wohlfarth model 134
6.7.9 Soft and hard materials 135
7 Magnetism in metals 140
7.1 The free electron model 140
7.2 Pauliparamagnetism 143
7.2.1 Elementaryderivation 143
7.2.2 Crossover tolocalized behaviour 144
7.2.3 Experimentaltechniques 145
7.3 Spontaneously spin-split bands 145
7.4 Spin-density functional theory 147
7.5 Landaulevels 148
7.6 Landaudiamagnetism 150
7.7 Magnetism of the electron gas 153
7.7.1 Paramagnetic response of the electron gas 153
7.7.2 Diamagnetic response of the electron gas 156
7.7.3 The RKKY interaction 156
7.8 Excitations in the electron gas 157
7.9 Spin-densitywaves 159
7.10 The Kondo effect 161
7.11 The Hubbard model 161
7.12 Neutron stars 162
8 Competinginteractions andlow dimensionality 166
8.1 Frustration 166
8.2 Spinglasses 167
8.3 Superparamagnetism 170
8.4 One-dimensionalmagnets 171
8.4.1 Spinchains 172
8.4.2 Spinons 172
8.4.3 Haldanechains 173
8.4.4 Spin-Peierlstransition 173
8.4.5 Spinladders 175
8.5 Two-dimensionalmagnets 176
8.6 Quantum phase transitions 178
8.7 Thin films and multilayers 180
8.8 Magneto-optics 182
8.9 Magnetoresistance 183
8.9.1 Magnetoresistanceofferromagnets 184
8.9.2 Anisotropicmagnetoresistance 185
8.9.3 Giant magnetoresistance 185
8.9.4 Exchangeanisotropy 187
8.9.5 Colossalmagnetoresistance 188
8.9.6 Halleffect 190
8.10 Organic and molecular magnets 191
8.11 Spin electronics 192
A Units in electromagnetism 194
B Electromagnetism 197
B.1 Magnetic moments 197
B.2 Maxwell's equations in free space 198
B.3 Free and bound currents 199
B.4 Maxwell's equations in matter 200
B.5 Boundary conditions 200
C Quantum and atomic physics 202
C.1 Quantummechanics 202
C.2 Dirac bra and ket notation 203
C.3 The Bohr model 204
C.4 Orbital angular momentum 205
C.5 The hydrogen atom 206
C.6 The g-factor 207
C.7 d orbitals 209
C.8 The spin-orbit interaction 210
C.9 Landeg-factor 210
C.10 Perturbation theory 211
D Energyin magnetism and demagnetizing fields 214
D.1 Energy 214
D.2 Demagnetizing factors 214
D.3 A ferromagnet of arbitrary shape 216
E Statistical mechanics 219
E.1 The partition function and thermodynamic functions 219
E.2 The equipartition theorem 220
F Answers and hints to selected problems 222
G Symbols, constants and useful equations 230
Index 234
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