Магнон — квазичастица , коллективное возбуждение спиновой структуры электрона 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.
Понятие магнона 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 результирующую 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 (приведенную постоянную Планка) и намагниченность на , где – гиромагнитное отношение . Это приводит к закону Блоха для температурной зависимости спонтанной намагниченности:
где – критическая температура (зависящая от материала), – величина спонтанной намагниченности.
Количественная теория магнонов, квантованных спиновых волн , была развита далее Теодором Гольштейном и Генри Примаковым , [2] , а затем Фрименом Дайсоном . [3] Используя формализм второго квантования, они показали, что магноны ведут себя как слабо взаимодействующие квазичастицы, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна ( бозоны ). Подробное рассмотрение можно найти в учебнике по твердотельному телу Чарльза Киттеля [4] или в ранней обзорной статье Ван Кранендонка и Ван Флека. [5]
Прямое экспериментальное обнаружение магнонов методом неупругого рассеяния нейтронов в феррите было осуществлено 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 , 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 — 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 Дониахом и Энгельсбергом [11] для объяснения дополнительного отталкивания между электронами в некоторых металлах, которое снижает критическую температуру сверхпроводимости .
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.
![{\displaystyle M(T)=M_{0}\left[1-\left({\frac {T}{T_{c}}}\right)^{3/2}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e67d81e52e58f5578b90c30348471d5df749c6db)
