Маньон

Магнон — квазичастица . , коллективное возбуждение спиновой структуры в кристаллической решетке электрона 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

Понятие магнон было введено в 1930 году Феликсом Блохом. ^[1] для объяснения уменьшения спонтанной намагниченности в ферромагнетике . При абсолютной нулевой температуре (0 К) ферромагнетик Гейзенберга достигает состояния с наименьшей энергией (так называемое основное состояние ), в котором все атомные спины (и, следовательно, магнитные моменты ) направлены в одном направлении. По мере повышения температуры все больше и больше спинов случайным образом отклоняются от ориентации, увеличивая внутреннюю энергию и уменьшая чистую намагниченность. Если рассматривать идеально намагниченное состояние при нулевой температуре как вакуумное состояние ферромагнетика, то низкотемпературное состояние с несколькими разнонаправленными спинами можно рассматривать как газ квазичастиц, в данном случае магнонов. Каждый магнон уменьшает полный спин в направлении намагничивания на одну единицу. $\hbar$ (приведенная постоянная Планка) и намагниченность на $\gamma \hbar$ , где $\gamma$ это гиромагнитное отношение . Это приводит к закону Блоха для температурной зависимости спонтанной намагниченности:

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

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

Количественная теория магнонов, квантованных спиновых волн , была развита далее Теодором Гольштейном и Генри Примаковым . ^[2] а затем Фримен Дайсон . ^[3] Используя формализм второго квантования, они показали, что магноны ведут себя как слабовзаимодействующие квазичастицы, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна ( бозоны ). Подробное описание можно найти в учебнике по твердотельному устройству Чарльза Киттеля. ^[4] или раннюю обзорную статью Ван Кранендонка и Ван Флека. ^[5]

Прямое экспериментальное обнаружение магнонов методом неупругого рассеяния нейтронов в феррите было достигнуто в 1957 году Бертрамом Брокгаузом . ^[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 равную интенсивность стоксовых и антистоксовых линий . Однако рассеяние показало, что если энергия магнонов сравнима или меньше тепловой энергии, или $\hbar \omega <k_{B}T$ , то линия Стокса становится более интенсивной, как это 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] В 2015 году Учида и др. сообщил о генерации спиновых токов посредством поверхностного плазмонного резонанса. ^[9]

Парамагноны

Парамагноны — это магноны в магнитных материалах, которые находятся в высокотемпературной неупорядоченной ( парамагнитной ) фазе. При достаточно низких температурах локальные атомные магнитные моменты (спины) в ферромагнитных или антиферромагнитных соединениях станут упорядоченными. Малые колебания моментов вокруг их естественного направления будут распространяться в виде волн (магнонов). При температурах выше критической температуры дальний порядок теряется, но спины по-прежнему будут локально выравниваться по участкам, позволяя спиновым волнам распространяться на короткие расстояния. Эти волны известны как парамагноны и подвергаются диффузионному (вместо баллистического или дальнего) переносу.

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

Характеристики

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, проявляющийся как излучение монохроматических микроволн. Этот микроволновый источник можно настроить с помощью приложенного магнитного поля.

См. также

Ссылки

^ Блох, Ф. (1930). «К теории ферромагнетизма». Журнал физики (на немецком языке). 61 (3–4): 206–219. Бибкод : 1930ZPhy...61..206B . дои : 10.1007/BF01339661 . ISSN 0044-3328 . S2CID 120459635 .
^ Гольштейн, Т.; Примаков, Х. (1940). «Полевая зависимость собственной доменной намагниченности ферромагнетика». Физический обзор . 58 (12): 1098–1113. Бибкод : 1940PhRv...58.1098H . дои : 10.1103/PhysRev.58.1098 . ISSN 0031-899X .
^ Дайсон, Фриман Дж. (1956). «Общая теория спин-волновых взаимодействий». Физический обзор . 102 (5): 1217–1230. Бибкод : 1956PhRv..102.1217D . дои : 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; Влек, Дж. Х. Ван (1958). «Спиновые волны». Преподобный. Мод. Физ . 30 (1): 1–23. Стартовый код : 1958РвМП...30....1В . дои : 10.1103/RevModPhys.30.1 .
^ Брокгауз, Б.Н. (1957). «Рассеяние нейтронов спиновыми волнами в магнетите». Физ. Преподобный . 106 (5): 859–864. Бибкод : 1957PhRv..106..859B . дои : 10.1103/PhysRev.106.859 .
^ Никуни, Т.; Осикава, М.; Осава, А.; Танака, Х. (1999). «Бозе-Эйнштейновская конденсация разбавленных магнонов в TlCuCl ₃ ». Физ. Преподобный Летт . 84 (25): 5868–5871. arXiv : cond-mat/9908118 . Бибкод : 2000PhRvL..84.5868N . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.5868 . ПМИД 10991075 . S2CID 1500529 .
^ Демокритов С.О.; Демидов В.Е.; Дзяпко О.; Мельков Г.А.; Серга, А.А.; Хиллебрандс, Б.; Славин А.Н. (28 сентября 2006 г.). «Бозе-Эйнштейновская конденсация квазиравновесных магнонов при комнатной температуре при накачке». Природа . 443 (7110): 430–433. Бибкод : 2006Natur.443..430D . дои : 10.1038/nature05117 . ПМИД 17006509 . S2CID 4421089 .
^ Учида, К.; Адачи, Х.; Кикучи, Д.; Ито, С.; Цю, З.; Маэкава, С.; Сайто, Э. (8 января 2015 г.). «Генерация спиновых токов методом поверхностного плазмонного резонанса» . Природные коммуникации . 6 : 5910. arXiv : 1308.3532 . Бибкод : 2015NatCo...6.5910U . дои : 10.1038/ncomms6910 . ПМЦ 4354158 . ПМИД 25569821 .
^ Берк, Н.Ф. (1 января 1966 г.). «Влияние ферромагнитных спиновых корреляций на сверхпроводимость». Письма о физических отзывах . 17 (8): 433–435. Бибкод : 1966PhRvL..17..433B . дои : 10.1103/PhysRevLett.17.433 .
^ Дониах, С. (1 января 1966 г.). «Низкотемпературные свойства почти ферромагнитных ферми-жидкостей». Письма о физических отзывах . 17 (14): 750–753. Бибкод : 1966PhRvL..17..750D . дои : 10.1103/PhysRevLett.17.750 .

Дальнейшее чтение

П. Шеве; Б. Штейн, Физика (21 сентября 2005 г.). «Новости внутренних научных исследований, обновление 746 , № 2» . Архивировано из оригинала 10 апреля 2013 года.
Кимель, А.В.; Кирилюк А.; Расинг, TH (2007). «Фемтосекундный оптомагнетизм: сверхбыстрая лазерная манипуляция магнитными материалами» . Обзор лазерной и фотоники . 1 (3): 275–287. Бибкод : 2007ЛПРв....1..275К . дои : 10.1002/lpor.200710022 .

[1] Блох, Ф. (1930). «К теории ферромагнетизма». Журнал физики (на немецком языке). 61 (3–4): 206–219. Бибкод : 1930ZPhy...61..206B . дои : 10.1007/BF01339661 . ISSN 0044-3328 . S2CID 120459635 .

[HolsteinPrimakoff1940-2] Гольштейн, Т.; Примаков, Х. (1940). «Полевая зависимость собственной доменной намагниченности ферромагнетика». Физический обзор . 58 (12): 1098–1113. Бибкод : 1940PhRv...58.1098H . дои : 10.1103/PhysRev.58.1098 . ISSN 0031-899X .

[Dyson1956-3] Дайсон, Фриман Дж. (1956). «Общая теория спин-волновых взаимодействий». Физический обзор . 102 (5): 1217–1230. Бибкод : 1956PhRv..102.1217D . дои : 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; Влек, Дж. Х. Ван (1958). «Спиновые волны». Преподобный. Мод. Физ . 30 (1): 1–23. Стартовый код : 1958РвМП...30....1В . дои : 10.1103/RevModPhys.30.1 .

[6] Брокгауз, Б.Н. (1957). «Рассеяние нейтронов спиновыми волнами в магнетите». Физ. Преподобный . 106 (5): 859–864. Бибкод : 1957PhRv..106..859B . дои : 10.1103/PhysRev.106.859 .

[7] Никуни, Т.; Осикава, М.; Осава, А.; Танака, Х. (1999). «Бозе-Эйнштейновская конденсация разбавленных магнонов в TlCuCl ₃ ». Физ. Преподобный Летт . 84 (25): 5868–5871. arXiv : cond-mat/9908118 . Бибкод : 2000PhRvL..84.5868N . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.5868 . ПМИД 10991075 . S2CID 1500529 .

[8] Демокритов С.О.; Демидов В.Е.; Дзяпко О.; Мельков Г.А.; Серга, А.А.; Хиллебрандс, Б.; Славин А.Н. (28 сентября 2006 г.). «Бозе-Эйнштейновская конденсация квазиравновесных магнонов при комнатной температуре при накачке». Природа . 443 (7110): 430–433. Бибкод : 2006Natur.443..430D . дои : 10.1038/nature05117 . ПМИД 17006509 . S2CID 4421089 .

[9] Учида, К.; Адачи, Х.; Кикучи, Д.; Ито, С.; Цю, З.; Маэкава, С.; Сайто, Э. (8 января 2015 г.). «Генерация спиновых токов методом поверхностного плазмонного резонанса» . Природные коммуникации . 6 : 5910. arXiv : 1308.3532 . Бибкод : 2015NatCo...6.5910U . дои : 10.1038/ncomms6910 . ПМЦ 4354158 . ПМИД 25569821 .

[10] Берк, Н.Ф. (1 января 1966 г.). «Влияние ферромагнитных спиновых корреляций на сверхпроводимость». Письма о физических отзывах . 17 (8): 433–435. Бибкод : 1966PhRvL..17..433B . дои : 10.1103/PhysRevLett.17.433 .

[11] Дониах, С. (1 января 1966 г.). «Низкотемпературные свойства почти ферромагнитных ферми-жидкостей». Письма о физических отзывах . 17 (14): 750–753. Бибкод : 1966PhRvL..17..750D . дои : 10.1103/PhysRevLett.17.750 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]