Магнон

Физика конденсированного состояния

Фазы · Фазовый переход · QCP
состояния вещества Твердое тело · Жидкость · Газ · Плазма · Конденсат Бозе-Эйнштейна · Бозе-газ · Фермионный конденсат · Ферми-газ · Ферми-жидкость · Сверхтвердое тело · Сверхтекучесть · Жидкость Латтинжера · Временной кристалл
Фазовые явления Параметр заказа · Фазовый переход · QCP
Электронные фазы Электронная структура группы · Плазменные · Изолятор · Мотта изолятор · Полупроводниковый · полуметалл · Проводник · сверхпроводник · Термоэлектрический · Пьезоэлектрический · сегнетоэлектрических · топологическая изолятор · Спин бесщелевого полупроводника
Электронные явления Квантовый эффект Холла · Спиновый эффект Холла · Эффект Кондо
Магнитные фазы Диамагнетик · Супердиамагнетик Парамагнетик · Суперпарамагнетик Ферромагнетик · Антиферромагнетик Метамагнетик · Спиновое стекло
Квазичастицы Фонон · Экситон · Плазмон- поляритон · Полярон · Магнон
Мягкая материя Аморфное твердое вещество · Коллоид · Гранулированный материал · Жидкий кристалл · Полимер
Ученые Ван дер Ваальс · Оннес · фон Лауэ · Брэгг · Дебай · Блох · Онсагер · Мотт · Пайерлс · Ландау · Латтинджер · Андерсон · Ван Флек · Хаббард · Шокли · Бардин · Купер · Шриффер · Джозефсон · Луи Нил · Эсаки · Джавер · Кон · Каданов · Фишер · Уилсон · фон Клитцинг · Бинниг · Рорер · Беднорц · Мюллер · Лафлин · Штёрмер · Ян · Цуй · Абрикосов · Гинзбург · Леггетт
v т е

Магнон является квазичастично , А коллективным возбуждением из электронов ' спиновой структуры в кристаллической решетке . В эквивалентной волновой картине квантовой механики магнон можно рассматривать как квантованную спиновую волну . Магноны несут фиксированное количество энергии и импульса решетки и имеют спин-1, что указывает на то, что они подчиняются бозонному поведению.

Краткая история [ править ]

Понятие магнона было введено в 1930 г. Феликсом Блохом ^[1] для объяснения уменьшения спонтанной намагниченности в ферромагнетике . При температуре абсолютного нуля (0 K) ферромагнетик Гейзенберга достигает состояния с наименьшей энергией (так называемого основного состояния ), в котором все атомные спины (и, следовательно, магнитные моменты ) направлены в одном направлении. По мере увеличения температуры все больше и больше спинов случайным образом отклоняются от выравнивания, увеличивая внутреннюю энергию и уменьшая суммарную намагниченность. Если рассматривать идеально намагниченное состояние при нулевой температуре как состояние вакуумаДля ферромагнетика низкотемпературное состояние с несколькими смещенными спинами можно рассматривать как газ квазичастиц, в данном случае магнонов. Каждый магнон уменьшает полный спин в направлении намагниченности на одну единицу (приведенная постоянная Планка), а намагниченность - на , где - гиромагнитное отношение . Это приводит к закону Блоха для температурной зависимости спонтанной намагниченности: ${\ displaystyle \ hbar}$ ${\ displaystyle \ gamma \ hbar}$ ${\ displaystyle \ gamma}$

${\ Displaystyle M (T) = M_ {0} \ left [1- \ left ({\ frac {T} {T_ {c}}} \ right) ^ {3/2} \ right]}$

где - критическая температура (зависящая от материала), а - величина спонтанной намагниченности. ${\ displaystyle T_ {c}}$ ${\ displaystyle M_ {0}}$

Количественная теория магнонами, квантованных спиновых волн , была развита Theodore Гольштейна и Генри Примакова , ^[2] , а затем Freeman Dyson . ^[3] Используя формализм вторичного квантования, они показали, что магноны ведут себя как слабо взаимодействующие квазичастицы, подчиняющиеся статистике Бозе – Эйнштейна ( бозоны ). Подробное описание можно найти в учебнике по твердым телам Чарльза Киттеля ^[4] или в ранней обзорной статье Ван Кранендонка и Ван Флека. ^[5]

Прямое экспериментальное обнаружение магнонов по неупругому рассеянию нейтронов в феррите было осуществлено в 1957 году Бертрамом Брокхаусом . ^[6] С тех пор магноны были обнаружены в ферромагнетиках , ферримагнетиках и антиферромагнетиках .

Тот факт, что магноны подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна, был подтвержден экспериментами по рассеянию света, проведенными в 1960–1980-х годах. Классическая теория предсказывает одинаковую интенсивность стоксовых и антистоксовых линий . Однако рассеяние показало, что если энергия магнонов сравнима или меньше тепловой энергии, или , то линия Стокса становится более интенсивной, как следует из статистики Бозе – Эйнштейна. Бозе-эйнштейновская конденсация магнонов была доказана в антиферромагнетике при низких температурах Никуни и др. ^[7] и в ферримагнетике Демокритова и др. при комнатной температуре. ^[8] Недавно Uchida et al. ${\ displaystyle \ hbar \ omega <k_ {B} T}$ сообщили о генерации спиновых токов поверхностным плазмонным резонансом. ^[9]

Параманьоны [ править ]

Парамагноны - это магноны в магнитных материалах, которые находятся в своей высокотемпературной неупорядоченной ( парамагнитной ) фазе. При достаточно низких температурах локальные атомные магнитные моменты (спины) в ферромагнитных или антиферромагнитных соединениях упорядочиваются. Небольшие колебания моментов вокруг своего естественного направления будут распространяться как волны (магноны). При температурах, превышающих критическую , дальний порядок теряется, но спины по-прежнему будут выстраиваться локально пятнами, позволяя спиновым волнам распространяться на короткие расстояния. Эти волны известны как парамагноны и претерпевают диффузные (вместо баллистических) или дальнего действия) транспорт.

Эта концепция была впервые предложена на основе спиновых флуктуаций в переходных металлах Берком и Шриффером ^[10] и Дониахом и Энгельсбергом ^[11] для объяснения дополнительного отталкивания между электронами в некоторых металлах, которое снижает критическую температуру сверхпроводимости .

Свойства [ править ]

Поведение магнонов можно изучать с помощью различных методов рассеяния. Магноны ведут себя как бозе-газ без химического потенциала. Микроволновая накачка может использоваться для возбуждения спиновых волн и создания дополнительных неравновесных магнонов, которые термализуются в фононы . При критической плотности образуется конденсат, который проявляется в виде излучения монохроматических микроволн. Этот микроволновый источник можно настраивать с помощью приложенного магнитного поля.

См. Также [ править ]

Магноника
Преобразование Гольштейна-Примакова
Поверхностный магнонный поляритон

Ссылки [ править ]

^ Блох, Ф. (1930). "Zur Theorie des Ferromagnetismus". Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 61 (3–4): 206–219. Bibcode : 1930ZPhy ... 61..206B . DOI : 10.1007 / BF01339661 . ISSN 0044-3328 . S2CID 120459635 .
^ Holstein, T .; Примаков, Х. (1940). "Полевая зависимость намагниченности внутренней области ферромагнетика". Физический обзор . 58 (12): 1098–1113. Bibcode : 1940PhRv ... 58.1098H . DOI : 10.1103 / PhysRev.58.1098 . ISSN 0031-899X .
Перейти ↑ Dyson, Freeman J. (1956). «Общая теория спин-волновых взаимодействий». Физический обзор . 102 (5): 1217–1230. Bibcode : 1956PhRv..102.1217D . DOI : 10.1103 / PhysRev.102.1217 . ISSN 0031-899X .
^ К. Киттель, Введение в физику твердого тела , 7-е издание (Wiley, 1995). ISBN 0-471-11181-3
^ Кранендонк, Дж. Ван; Флек, Дж. Х. Ван (1958). «Спиновые волны». Ред. Мод. Phys . 30 (1): 1-23. Bibcode : 1958RvMP ... 30 .... 1V . DOI : 10.1103 / RevModPhys.30.1 .
^ Brockhouse, Б. (1957). «Рассеяние нейтронов на спиновых волнах в магнетите». Phys. Ред . 106 (5): 859–864. Bibcode : 1957PhRv..106..859B . DOI : 10.1103 / PhysRev.106.859 .
^ Никуни, Т .; Oshikawa, M .; Oosawa, A .; Танака, Х. (1999). "Конденсация Бозе-Эйнштейна разбавленных магнонов в TlCuCl ₃ ". Phys. Rev. Lett . 84 (25): 5868–5871. arXiv : cond-mat / 9908118 . Bibcode : 2000PhRvL..84.5868N . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.84.5868 . PMID 10991075 . S2CID 1500529 .
^ Демокритов, SO; Демидов, В.Е .; Дзяпко, О .; Мелков, Г.А.; Серга А.А.; Hillebrands, B .; Славин А.Н. (28 сентября 2006 г.). «Бозе – эйнштейновская конденсация квазиравновесных магнонов при комнатной температуре с накачкой». Природа . 443 (7110): 430–433. Bibcode : 2006Natur.443..430D . DOI : 10,1038 / природа05117 . PMID 17006509 . S2CID 4421089 .
^ Uchida, K .; Adachi, H .; Kikuchi, D .; Ито, С .; Qiu, Z .; Maekawa, S .; Сайто, Э. (8 января 2015 г.). «Генерация спиновых токов поверхностным плазмонным резонансом» . Nature Communications . 6 : 5910. arXiv : 1308.3532 . Bibcode : 2015NatCo ... 6.5910U . DOI : 10.1038 / ncomms6910 . PMC 4354158 . PMID 25569821 .
^ Берк, NF (1966-01-01). «Влияние ферромагнитных спиновых корреляций на сверхпроводимость». Письма с физическим обзором . 17 (8): 433–435. Bibcode : 1966PhRvL..17..433B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.17.433 .
^ Doniach, S. (1966-01-01). «Низкотемпературные свойства ферми-жидкостей, близких к ферромагнитным». Письма с физическим обзором . 17 (14): 750–753. Bibcode : 1966PhRvL..17..750D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.17.750 .

Дальнейшее чтение [ править ]

П. Шеве; Б. Штейн, Физика (21 сентября 2005 г.). «Новости научных исследований, Обновление 746 , # 2» . Архивировано из оригинального 10 апреля 2013 года .
Кимел, А.В.; Кирилюк, А .; Расинг, TH (2007). «Фемтосекундный оптомагнетизм: сверхбыстрое лазерное манипулирование магнитными материалами» . Лазерные и Photon Rev . 1 (3): 275–287. Bibcode : 2007LPRv .... 1..275K . DOI : 10.1002 / lpor.200710022 . Архивировано из оригинала на 2013-01-05.

[1] Блох, Ф. (1930). "Zur Theorie des Ferromagnetismus". Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 61 (3–4): 206–219. Bibcode : 1930ZPhy ... 61..206B . DOI : 10.1007 / BF01339661 . ISSN 0044-3328 . S2CID 120459635 .

[HolsteinPrimakoff1940-2] Holstein, T .; Примаков, Х. (1940). "Полевая зависимость намагниченности внутренней области ферромагнетика". Физический обзор . 58 (12): 1098–1113. Bibcode : 1940PhRv ... 58.1098H . DOI : 10.1103 / PhysRev.58.1098 . ISSN 0031-899X .

[Dyson1956-3] Перейти ↑ Dyson, Freeman J. (1956). «Общая теория спин-волновых взаимодействий». Физический обзор . 102 (5): 1217–1230. Bibcode : 1956PhRv..102.1217D . DOI : 10.1103 / PhysRev.102.1217 . ISSN 0031-899X .

[4] К. Киттель, Введение в физику твердого тела , 7-е издание (Wiley, 1995). ISBN 0-471-11181-3

[5] Кранендонк, Дж. Ван; Флек, Дж. Х. Ван (1958). «Спиновые волны». Ред. Мод. Phys . 30 (1): 1-23. Bibcode : 1958RvMP ... 30 .... 1V . DOI : 10.1103 / RevModPhys.30.1 .

[6] Brockhouse, Б. (1957). «Рассеяние нейтронов на спиновых волнах в магнетите». Phys. Ред . 106 (5): 859–864. Bibcode : 1957PhRv..106..859B . DOI : 10.1103 / PhysRev.106.859 .

[7] Никуни, Т .; Oshikawa, M .; Oosawa, A .; Танака, Х. (1999). "Конденсация Бозе-Эйнштейна разбавленных магнонов в TlCuCl ₃ ". Phys. Rev. Lett . 84 (25): 5868–5871. arXiv : cond-mat / 9908118 . Bibcode : 2000PhRvL..84.5868N . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.84.5868 . PMID 10991075 . S2CID 1500529 .

[8] Демокритов, SO; Демидов, В.Е .; Дзяпко, О .; Мелков, Г.А.; Серга А.А.; Hillebrands, B .; Славин А.Н. (28 сентября 2006 г.). «Бозе – эйнштейновская конденсация квазиравновесных магнонов при комнатной температуре с накачкой». Природа . 443 (7110): 430–433. Bibcode : 2006Natur.443..430D . DOI : 10,1038 / природа05117 . PMID 17006509 . S2CID 4421089 .

[9] Uchida, K .; Adachi, H .; Kikuchi, D .; Ито, С .; Qiu, Z .; Maekawa, S .; Сайто, Э. (8 января 2015 г.). «Генерация спиновых токов поверхностным плазмонным резонансом» . Nature Communications . 6 : 5910. arXiv : 1308.3532 . Bibcode : 2015NatCo ... 6.5910U . DOI : 10.1038 / ncomms6910 . PMC 4354158 . PMID 25569821 .

[10] Берк, NF (1966-01-01). «Влияние ферромагнитных спиновых корреляций на сверхпроводимость». Письма с физическим обзором . 17 (8): 433–435. Bibcode : 1966PhRvL..17..433B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.17.433 .

[11] Doniach, S. (1966-01-01). «Низкотемпературные свойства ферми-жидкостей, близких к ферромагнитным». Письма с физическим обзором . 17 (14): 750–753. Bibcode : 1966PhRvL..17..750D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.17.750 .