Спиновые волны - Ахиезер А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Микроскопическая теория спиновых волн позволяет исследовать термодинамические и кинетические свойства магнито-упорядоченных кристаллов в области низких температур. При исследовании термодинамических свойств магнитоупорядочен-ный кристалл можно рассматривать как совокупность идеальных газов магнонов, фононов и электронов проводимости. Мы определяем зависимости намагниченности и теплоемкости магнитоупорядоченных кристаллов от температуры и внешнего магнитного поля, а также излагаем теорию флуктуаций магнитных величин, позволяющую исследовать такие явления, как рассеяние медленных нейтронов и рассеяние электромагнитных волн на спиновых волнах.
Кинетические свойства магнитоупорядоченных кристаллов существенно связаны с неидеальностью газов магнонов, фононов и электронов проводимости. Поэтому для их исследования необходим учет различных процессов взаимодействия между магнонами, фононами и электронами проводимости, а также между этими частицами и примесными атомами. Мы ограничиваемся рассмотрением только достаточно чистых магнитоупорядоченных диэлектриков, кинетические свойства которых определяются процессами рассеяния магнона магноном и черенковским излучением фонона магноном. Мы излагаем теорию релаксации магнитного момента и выравнивания температур спинов и решетки в таких кристаллах, а также теорию теплопроводности магнитоупорядоченных диэлектриков; наконец, мы излагаем квантовую теорию высокочастотной магнитной восприимчивости ферромагнетиков.
Мы надеемся, что эта книга, несмотря на ее неполноту — в ней отсутствует, например, микроскопическая теория кинетических явлений в ферромагнитных металлах и не содержится теория спиновых волн в сложных (винтовых) магнитных структурах, —будет, тем не менее, полезной как теоретикам,
9 так и экспериментаторам, работающим в области физики магнитоупорядоченных кристаллов.
Для понимания большей части книги достаточно знания основ квантовой механики и статистической физики, и только последняя глава, содержащая более абстрактный материал, требует знания квантовой теории поля. Из этой главы, которая в первом чтении может быть опущена, для экспериментаторов должен представлять интерес последний раздел последнего параграфа.
Мы хотели бы в заключение выразить благодарность И. А. Ахиезеру, написавшему для книги параграф о флук-туациях магнитных величин и рассеянии медленных нейтронов и электромагнитных волн на спиновых волнах, и В. П. Силину, написавшему дополнение о спиновых волнах в неферромагнитных металлах. Мы благодарны также В. В. Ганну, В. А. Попову, М. А. Савченко и Л. А. Шишкину за помощь в подготовке рукописи.
Авторы ГЛАВА I
ФЕРРОМАГНЕТИКИ И АНТИФЕРРОМАГНЕТИКИ
§ 1. Обменная модель ферромагнетика
1. Магнитное упорядочение. Целый ряд кристаллов обладает упорядоченной магнитной структурой. Это значит, что в отсутствие стороннего магнитного поля среднее (кван-товомеханическое) значение магнитного момента по крайней мере одного из атомов в каждой элементарной ячейке кристалла отлично от нуля.
В простейшем типе магнитоупорядоченных кристаллов — ферромагнетиках (Fe, Ni, Со, Dy) — средние значения магнитных моментов всех атомов имеют одинаковую ориентацию, если только температура ферромагнетика не превосходит определенной критической температуры—температуры Кюри. Благодаря этому ферромагнетики обладают спонтанным магнитным моментом, т. е. макроскопическим магнитным моментом, отличным от нуля в отсутствие стороннего магнитного поля.
В более сложных магнитоупорядоченных кристаллах — антиферромагнетиках (к их числу относятся карбонаты, безводные сульфаты, окислы, фториды переходных металлов Mn, Ni, Со, Fe) — средние значения магнитных моментов атомов (в отсутствие стороннего магнитного поля) компенсируют друг друга в пределах каждой элементарной ячейки. Иными словами, антиферромагнетик представляет собой совокупность нескольких подрешеток (их называют магнитными подрешетками), для каждой из которых среднее значение магнитных моментов атомов отлично от нуля. Такая магнитная упорядоченность имеет место, если температура антиферромагнетика ниже определенной критической температуры — температуры Нееля.
11 Наконец, существует еще один тип магнитоупорядоченных кристаллов — ферриты, которые состоят из нескольких магнитных подрешеток, магнитные моменты которых, в отличие от антиферромагнетиков, не компенсируются, так что феррит обладает спонтанным магнитным моментом. Ферритами являются, например, соединения переходных металлов типа комплексных солей MnO • Fe2O3, 3Y203 • 5Fe203 и др.
Магнитная упорядоченность ферро- и антиферромагнетиков возникает благодаря корреляции между направлениями спинов электронов отдельных атомов этих тел, магнитный момент которых имеет в основном спиновую природу. Эта корреляция обусловлена в свою очередь взаимосвязью между пространственной симметрией волновой функции и величиной суммарного спина системы электронов. Такая взаимосвязь, являющаяся следствием принципа неразличимости одинаковых частиц, приводит к зависимости энергии системы от величины ее полного спина, так как волновым функциям, обладающим различной пространственной симметрией, соответствуют, вообще говоря, различные значения энергии системы.
