1、三三.本章内容本章内容 1-1 磁性的微观起源磁性的微观起源 1-2 抗磁性抗磁性 1-3 顺磁性顺磁性 1-4 铁磁性铁磁性 1-5*反铁磁反铁磁 1-6 自旋波自旋波 1-7*磁阻错磁阻错(自旋玻璃自旋玻璃.自旋液体自旋液体.自旋冰自旋冰)1-8 磁电阻磁电阻(磁电耦合一磁电耦合一)-自旋电子学自旋电子学-07Noble Prize 1-9 Hall effects(磁电耦合二磁电耦合二)-量子、分数量子、拓扑绝缘体量子、分数量子、拓扑绝缘体序序-现象现象文文-起源起源 知其所以然知其所以然!fluctuation一、什么是固体的磁性一、什么是固体的磁性1.物质的磁性物质的磁性 四种基本四
2、种基本物理现象物理现象 指南针指南针 -司南司南 (战国战国)铁制品铁制品-可磁化可磁化磁磁铁铁不锈钢不锈钢-不可磁化不可磁化PlasticWood-非磁性非磁性Why?物质有物质有磁性磁性 或或没有磁没有磁性性?How?描述物描述物质磁性质磁性?Fe3O4铁磁铁磁顺磁顺磁反铁磁反铁磁抗磁抗磁 三个基本物理量三个基本物理量:M:固体自身磁性质固体自身磁性质B:外磁场外磁场:固体对外场的响应固体对外场的响应 描述固体宏观磁性质的基础描述固体宏观磁性质的基础iiMVM.B:基本物理量基本物理量 :导出量导出量iiMV微观物理图像微观物理图像 I?11 固体磁性的微观起源固体磁性的微观起源 原子的磁
3、矩原子的磁矩一一.宏观固体磁性起源宏观固体磁性起源磁化强度磁化强度:iiMVi原子磁矩原子磁矩电子磁矩电子磁矩 核磁矩核磁矩eBc310heie0(2Bem波尔磁子：）hBc3l 二二.电子的磁矩电子的磁矩 磁性的本质是量子行为磁性的本质是量子行为 表现形式之一表现形式之一:角动量角动量电子的角动量电子的角动量自旋角动量自旋角动量轨道角动量轨道角动量2212ssslllegsgmeglgm电子总磁矩电子总磁矩:Jls 表现形式之二表现形式之二:角动量量子化角动量量子化(1)(1)SS Sll lA.单电子原子单电子原子磁矩与角动量关磁矩与角动量关联的提出历史？联的提出历史？(1)2(1)2ss
4、llegS Smegl lm原子中的实际电子分布原子中的实际电子分布-多电子系统多电子系统1.1 1.1 原子的电子结构原子的电子结构原子的经典玻尔模型玻尔模型：Z个电子围绕原子核做园周或椭圆运动,核外电子结构用四个量子数表征：n.l.m.s (多电子体系)n:电子轨道大小由主量子数主量子数n决定 n=1,2,3,4,的轨道群 又称为K,L,M,N,.的电子壳层l:轨道的形状由角动量角动量 l 决定 l=0,1,2,3,.n-1 （下页）（下页）又称为s,p,d,f,g,.电子m:当施加一个磁场在一个原子上时，角动量与磁场方向 的取向也是量子化的，l分量由磁量子数磁量子数m决定 m=l,l-1
5、,l-2,0,.-(l-1),-l S:电子电子自旋量子数由自旋量子数由s决定 12S KLMZe轨道：S电子轨道l=1：p电子ml=+1,0,-1n,n,l l,m,m 表征的一个电子轨道上如果有两个电子，虽表征的一个电子轨道上如果有两个电子，虽然它们的自旋是相反的，但静电的库仑排斥势然它们的自旋是相反的，但静电的库仑排斥势 ,仍仍然使系统然使系统 能量提高。因而能量提高。因而 一个轨道倾向只有一个一个轨道倾向只有一个电子占据。电子占据。泡利不相容原理泡利不相容原理：同一个量子数同一个量子数n，l，m，s 表征的量子状态表征的量子状态只能有一个电子占据。只能有一个电子占据。库仑相互作用库仑相
6、互作用:原子的电子结构原子的电子结构占据壳层的规律占据壳层的规律 多个电子如何定多个电子如何定n,l,m,s?B.多电子原子多电子原子总磁矩总磁矩 J J与与总角动量总角动量J关系关系:()2JJegJm?JJg-LSJ-JJ耦合库仑作用 自旋 轨道耦合耦合自旋 轨道耦合库仑作用8080iiiiiiiiiJJJLSJLlSJlss耦合：耦合：原子序数原序小于大于子数Jg Shell大，电子间距离远，库伦作用小2()22JJJJegJmJgeJm22222JeeeeLSLSJSmmmm 耦合：22222222222221221,1,1JJJJS JJSLgeJJJmJJ JLL LSS S(1)
7、(1)(1)12(1)J JS SL LgJ J?LSJ推导在下页22222222222222222222()11122221112JS JS JSLSS LSJJJJJLSSJLSSJSLJJJ 推导：推导：Hund rule:原子或离子基态原子或离子基态(1)不违反泡利原理条件下不违反泡利原理条件下,自旋角动量自旋角动量S的和的和 取允许的最大值取允许的最大值(2)在同样条件下在同样条件下,轨道角动量轨道角动量L的和的和取允许的最大值取允许的最大值(3)在确定在确定S和和L之后之后,依照原子物理学依照原子物理学,原子的总角动量量子数原子的总角动量量子数J 可以取下列值可以取下列值:J=L-
8、S,L-S+1,L+S.实际实际：当支壳层不到半满时：当支壳层不到半满时,取取J=L-S;而当壳层半满而当壳层半满或超过半满时或超过半满时,J取取L+S量子力学证明量子力学证明:Page 271 胡安胡安 章维益章维益iiSsiiLl111221 011 10SLJ 1lm 0lm 1lm 洪德法则的起源：洪德法则的起源：(1)未满壳层的电子自旋si排列：电子由于库仑排斥而 倾向于取不同轨道，而原子内的自旋-自旋间的相 互作用使自旋平行排列，从而总自旋总自旋S 取最大值取最大值。(泡利不相容原理)(2)每个电子的轨道矢量li的排列：电子倾向于同样的 方向绕核旋转,以避免靠近而增加库仑排斥能，使
9、 总的轨道角动量总的轨道角动量L取取 最大值最大值.(3)由于L和S间的耦合，电子数n小于半满时 J=L-S，电子数n大于半满时 J=L+S。(洪德法则一般的描述只有(1)和(2)项)类比：类比：行星的自转（行星的自转（自旋自旋）与公转（与公转（轨道轨道）()2JJegJm,J L S(1)(1)(1)12(1)J JS SL LgJ J 原子基态用角动量标记方式原子基态用角动量标记方式:21SJL0,1,2,3,4,5,6.,.LS P D F G H I并：例例1:1:5133:3:34CrCrdds111322222 1 032,1,032SLlJLS 432F25g()2JJegJm(
10、1)()2JJBeJ Jgpm0.77JB2Bem稀土稀土:镧系镧系理论值与实验结果的比较理论值与实验结果的比较固体的磁性的基本特征固体的磁性的基本特征iiMVi不同固体的磁性不同固体的磁性原子磁矩原子磁矩:i()2JJegJm21SJL(1)(1)(1)12(1)J JS SL LgJ J(1)()2JJBeJ Jgpm?电子电子 核核自旋自旋 +轨道轨道J作业作业1.分别求分别求Cu,Cu+2,Cu+3原子和离子的基态、原子和离子的基态、p值以及磁矩值以及磁矩2.分别求分别求Fe,Fe+2,Fe+3原子和离子的基态、原子和离子的基态、p值值以及磁矩以及磁矩3.分别求分别求Fe,Co,Ni原子的基态、原子的基态、p值及磁矩值及磁矩JJJ(1)()2JJBeJ Jgpm
