1、第二讲 自旋玻璃,关键词,局域磁矩 自旋玻璃、自旋冻结 无序、阻错 遍历破缺、亚稳态 弛豫现象、记忆效应 类自旋玻璃行为,物质的磁性有哪些来源？,组成物质的微观粒子： 原子核质子，中子 （核磁矩很小） 电子 定域电子（自旋磁矩，轨道运动磁矩） 巡游电子（自旋磁矩）,物质的磁性,电子自旋 磁矩,电子轨道磁矩,核磁矩,顺磁性,抗磁性,铁磁性,反铁磁性,自旋玻璃,巡游电子自旋,（定域电子）,其它,各种磁有序状态： 顺磁、抗磁、铁磁、反铁磁、螺旋排列、自旋玻璃,基态或低能激发态,自旋玻璃二维模型,晶态金属,非晶态金属,在自旋玻璃系统中必然有大量稳定磁矩,金属中局域磁矩存在的条件 铁磁物质 Ni的原子为
2、什麽在有的金属或合金中没有磁矩？ (如Cu80Ni20 ),孤立原子或离子的磁矩,洪德定则(经验规律）：1,在满足泡利原理的条件下，电子总自旋取最大值;2,电子总角动量取最大值;3,若电子不到半满，则总角动量为J=|L-S | ，若超过 半满, 则J= | L+S |.本质上取决于：泡里不相容原理和能量最低原理。,磁性原子“埋”在金属中是否一定有稳定磁矩？,几个实验事实： 1, Fe或Mn原子固溶在Au,Cu中为磁性杂质，而在Al中为非磁性杂质 2, LaCe合金中的Ce在常压下为磁性，但在高压下失去磁性 3, CuNi合金中的Ni含量小于25时,Ni原子不具有磁性用Anderson模型来解释
3、以上现象,何为准束缚态？(VBS),在能量坐标上分布,实空间分布,（定域电子与巡游电子杂化，杂化越强则 越大）,束缚态,准束缚态,准束缚态,束缚态,态密度,(U=0 的情况),A:杂质d能级在费米海中分为spin 和spin两分支能级，分别占有n和n个电子（未考虑杂化和相互作用） B : 因原子内spin 和spin 电子之间相互作用U较大, spin 和spin支能级分开, d能级半满，n=0, n 不为零，有磁性 C：d能级未满，U较小 , 杂化较强，n和n不等，有磁性 D： d能级未满，杂化较强， U0， n= n，非磁,A,B,C,D,n,n,金属和合金中局域磁矩形成的条件,Ander
4、son模型,EF,d,（ d为相对于费米能级的值）,先考虑的U=0情况,d,杂质是否磁性取决于三个量：正反自旋之间的库仑相互作用能 U准束缚态的半宽度 (反映杂化程度）准束缚态中心能量与费米能的差值d解释实验现象,杂质的磁相图,磁合金内有哪些交换相互作用？,局域磁矩与巡游电子自旋磁矩之间的交换作用 局域磁矩与局域磁矩：1，直接交换作用2，RKKY间接交换作用,1，直接交换相邻磁矩的电子波函数有叠加 2， RKKY间接交换作用需要巡游电子做媒介,杂质周围的电子云“晕” 和 Friedel振荡,类似形成驻波,磁性杂质周围的Friedel 振荡,极化电子云,RKKY相互作用,局域磁矩之间通过极化电子
5、云产生间接交换相互作用,RKKY相互作用的特点,交换常数的符号随着两磁矩的距离而周期振荡；,相互作用能大小与两磁矩距离的3次方成反比,自旋玻璃： 一种新的磁矩系统有序状态,在空间坐标上无序，在时间坐标上有序比较：顺磁系统在空间和时间上都无序,自旋玻璃的发现（20世纪70年代）,磁化率尖峰温度 为自旋冻结温度,与反铁磁相变的区别,冻结温度随频率增加而上升,磁化率尖峰被直流磁场抹低,自旋玻璃为什麽会“冻结” ？,无序磁杂质无序分布 受挫不能让所有磁矩都处于能量有利的状态 铁磁相互作用与反铁磁相互作用的竞争,？,？,自旋玻璃系统的重要特征亚稳态,自旋玻璃系统的组态自由能地形图 Landscape温度
6、越低，相互作用越强，地形越“陡峭”,configurations,各态遍历,遍历破缺,磁化率测量中场冷和零场冷的区别,场冷,零场冷,磁场中降温时逐渐极化,CuMn合金,遍历破缺 驰豫过程 记忆效应,平衡系统的各态遍历假说：若系统的微观状态数为 (N,V,E)，在足够长的时间内，系统可以走遍每一个微观态,磁化弛豫实验 TRM 磁场中降温，等待tw， 去磁场，磁化强度随时 间不断减小 ZFC 零场中降温，等待tw， 加磁场，磁化强度随时 间不断增大,在等待时间内自旋玻璃系统发生演变 反映在去掉磁场后的退磁化弛豫曲线上,低于冻结温度,记忆效应,正温度循环后记忆消失,负温度循环后可记住原来的状态,30
7、分钟,30分钟,交流磁化率（虚部）的时效和记忆,在冻结温度以下，温度的突然变化，会引起的突然增大，然后再弛豫到某一平衡值。在弛豫过程中： 负温度循环后可记住原来的状态 正温度循环后记忆消失,为什么有记忆效应,自旋玻璃的其它物理性质,AuFe的热电势 CuMn的电阻,磁化率,自旋玻璃磁系统的比热：低温下为温度的线性关系，且与磁杂质浓度无关在冻结温度附近有一个峰,AuFe合金的Mossbauer谱在冻结温度以下， 谱线有六个峰， 表明合金中有局 域的内磁场,自旋玻璃系统与顺磁系统的比较,平均场描述和序参量,Edwards 和 Anderson的定义：qEA=lim lim ， 取 i从1到N的平均
8、值,t, N ,自旋玻璃的种类,RKKY型自旋玻璃（有巡游电子） 非金合金自旋玻璃（巡游电子局域化） 半导体自旋玻璃（基本上没有巡游电子）,类自旋玻璃行为和复杂体系,神经系统 计算机原理,思考题,1，物质的磁性有哪些来源？ 2，磁性物质有哪些磁状态？ 3，定性分析金属中杂质具有稳定磁矩的主要决定因素。 4，何谓准束缚态？准束缚态的半宽度说明什麽现象？ 5，简述Anderson模型的基本物理思想？ 6，什麽是Friedel振荡？磁性杂质与非磁性杂质周围的Friedel振荡有何异同，为什麽？ 7，RKKY相互作用是如何产生的？它有什麽特点？ 8，自旋玻璃最明显的特性是什麽？它与反铁磁有何区别？ 9
9、，什麽是自旋玻璃特征温度？它反映什麽物理过程？,思考题续：,10，叙述自旋冻结的物理机制。 11，为什麽零磁场冷却和磁场中冷却的磁化率温度曲线不一样？ 12，为什麽自旋玻璃有驰豫现象? 13，如何解释自旋玻璃的记忆效应？ 14，试将自旋玻璃系统的内磁场与铁磁或反铁磁系统的内磁场进行比较，说明它们的内场分布。 15，如何定义自旋玻璃的序参量？ 16，没有RKKY作用的磁系统是否会有自旋玻璃特性？ 17，画出一种自旋玻璃的T-x相图。 18，研究自旋玻璃有没有普遍意义？,参考资料：,1，低温物理学；曹烈兆，阎守胜，陈兆甲；中国科技大学出版社，1999年 2，凝聚态物理学（上卷）；冯端，金国钧；高等教育出版社，2003年 3，Spin glasses; K.H.Fischer, Cambridge University Press,1991,
