Магнон

Spin 1 quasiparticle; quantum of a spin wave

Магнон — это 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 поведению бозона .

Краткая история

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

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

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

Количественная теория магнонов, квантованных спиновых волн , была развита Теодором Хольштейном и Генри Примаковым ^[2] , а затем Фрименом Дайсоном ^[3] . Используя формализм вторичного квантования, они показали, что магноны ведут себя как слабо взаимодействующие квазичастицы, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна ( бозоны ). Подробное рассмотрение можно найти в учебнике по твердому 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 Брокхаузом . ^[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 линий Стокса и антистокса . Однако рассеяние показало, что если энергия магнона сравнима или меньше тепловой энергии, или , то линия Стокса становится более интенсивной, как следует из статистики Бозе-Эйнштейна. Конденсация Бозе-Эйнштейна магнонов была доказана в антиферромагнетике при низких температурах Никуни и др . ^[7] и в ферримагнетике Демокритовым и др. при комнатной температуре. ^[8] В 2015 году Учида и др. сообщили о генерации спиновых токов с помощью поверхностного плазмонного резонанса. ^[9] ${\displaystyle \hbar \omega <k_{\text{B}}T}$

Парамагноны

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 станут упорядоченными. Небольшие колебания моментов вокруг их естественного направления будут распространяться как волны (магноны). При температурах выше критической температуры дальний порядок теряется, но спины все еще будут выстраиваться локально в пятнах, позволяя спиновым волнам распространяться на короткие расстояния. Эти волны известны как парамагноны и подвергаются диффузионному (вместо баллистического или дальнего) переносу.

Эта концепция была впервые предложена на основе спиновых флуктуаций в переходных металлах Берком и Шриффером ^[10], а также Дониахом и Энгельсбергом ^[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, который проявляется как излучение монохроматических микроволн. Этот источник микроволн можно настраивать с помощью приложенного магнитного поля.

Смотрите также

• Магноника
• Преобразование Гольштейна – Примакова.
• Поверхностный магнон-поляритон

Ссылки

1. Блох, Ф. (1930). «Теория ферромагнетизма». Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 61 (3–4): 206–219. Бибкод : 1930ZPhy...61..206B. дои : 10.1007/BF01339661. ISSN  0044-3328. S2CID  120459635.
2. Холстейн, Т.; Примаков, Х. (1940). «Зависимость от поля внутренней доменной намагниченности ферромагнетика». Physical Review . 58 (12): 1098–1113. Bibcode :1940PhRv...58.1098H. doi :10.1103/PhysRev.58.1098. ISSN  0031-899X.
3. Дайсон, Фримен Дж. (1956). «Общая теория спин-волновых взаимодействий». Physical Review . 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; Влек, Дж. Х. Ван (1958). «Спиновые волны». Преподобный Мод. Физ . 30 (1): 1–23. Бибкод : 1958РвМП...30....1В. doi : 10.1103/RevModPhys.30.1.
6. Брокхаус, Б. Н. (1957). «Рассеяние нейтронов спиновыми волнами в магнетите». Phys. Rev. 106 ( 5): 859–864. Bibcode :1957PhRv..106..859B. doi :10.1103/PhysRev.106.859.
7. Никуни, Т.; Ошикава, М.; Осава, А.; Танака, Х. (1999). «Бозе-эйнштейновская конденсация 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, VE; Дзяпко, O.; Мелков, GA; Серга, AA; Хиллебрандс, B.; Славин, AN (28 сентября 2006 г.). "Бозе-эйнштейновская конденсация квазиравновесных магнонов при комнатной температуре под накачкой". Nature . 443 (7110): 430–433. Bibcode :2006Natur.443..430D. doi :10.1038/nature05117. PMID  17006509. S2CID  4421089.
9. Uchida, K.; Adachi, H.; Kikuchi, D.; Ito, S.; Qiu, Z.; Maekawa, S.; Saitoh, E. (8 января 2015 г.). "Генерация спиновых токов с помощью поверхностного плазмонного резонанса". Nature Communications . 6 : 5910. arXiv : 1308.3532 . Bibcode : 2015NatCo...6.5910U. doi : 10.1038/ncomms6910. PMC 4354158 . PMID  25569821. 
10. Берк, НФ (1966-01-01). «Влияние ферромагнитных спиновых корреляций на сверхпроводимость». Physical Review Letters . 17 (8): 433–435. Bibcode : 1966PhRvL..17..433B. doi : 10.1103/PhysRevLett.17.433.
11. Дониах, С. (1966-01-01). "Низкотемпературные свойства почти ферромагнитных ферми-жидкостей". Physical Review Letters . 17 (14): 750–753. Bibcode : 1966PhRvL..17..750D. doi : 10.1103/PhysRevLett.17.750.

Дальнейшее чтение

• P. Schewe; B. Stein, Physics (21 сентября 2005 г.). "Inside Science Research News Update 746, #2". Архивировано из оригинала 10 апреля 2013 г.
• Кимел, АВ; Кирилюк, А.; Расинг, ТХ (2007). «Фемтосекундный оптомагнетизм: сверхбыстрая лазерная манипуляция магнитными материалами». Laser & Photonics Review . 1 (3): 275–287. Bibcode : 2007LPRv....1..275K. doi : 10.1002/lpor.200710022 .