分子场理论ppt课件.ppt

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1、定域分子场理论与反铁磁性的发现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

2、变化的特征现象，1938年Bizette,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

3、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AB类型合金磁化率的表达式，其系数和AB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

4、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,Co-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

5、。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

6、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“奈耳温度”（Neeltemperature），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(19

7、38).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化合物，这里再例举一些反铁磁金属和合金。TN-Mn-MnCr单晶Cr多晶-FeMnFe95K390312～500~40490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

8、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温度的衍射图比较，看到低于奈耳点的衍射图有额外的超点阵线，