从量子力学层面上认识,到大学物理层面上理解顺磁性和抗磁性

大学物理教科书中对物质磁性——顺磁性和抗磁性的机理描述不自洽.顺磁性用原子磁矩沿磁场方向的"倾倒"来解释,抗磁性用电子磁矩的"旋进"来解释.同样都是磁矩,为什么却有不同的行为呢?显然不能令人信服.本文将从量子力学角度给出两种磁性的来源,从中可以看出,顺磁和抗磁在量子力学的哈密顿量中正好是磁相互作用的展开项中的两项,这两项可以同时存在,也可以只有抗磁性,这取决于原子壳层的电子分布.在保持与量子力学一致的情况下,如何在大学物理层面上理解顺磁性和抗磁性?     

Mn5Ge2.7M0.3 (M=Ga，Al，Sn) 化合物的磁性和磁熵变

研究了Mn₅Ge_2.7M_0.3(M=Ga，Al，Sn)化合物的磁性和磁熵变. x射线衍射实验表明，研究的化合物均呈六角Mn₅Si₃型结构. 三种原子对Ge原子的替代，使得平均Mn原子磁矩下降，但居里温度没有明显的变化. 由于磁矩的降低，导致磁熵变值的下降，在磁场变化为4.0×10⁶A·m^-1时，对应于M=Ga，Al和Sn的样品，最大磁熵变值ΔS^max_Ｍ分别为6.1，6.3和5.3J·kg^-1K^-1，但磁熵变峰值的半高宽ΔＴ_ＦＷＨＭ有所增加. 另外，Mn₅Ge_2.7M_0.3(M=Ga，Al，Sn)化合物在高于居里温度的Arrott曲线上出现了一个不连续点，即样品在一定温度下的顺磁磁化率在某一临界磁场下发生了突变，临界磁场与温度几乎呈正比关系.这可能是由于样品在加一定磁场时3d带的费米能级发生了变化，使得有效电子数的减少所致. 关键词： 居里温度 平均Mn原子磁矩 磁熵变 Arrott图     

化合物SmCo5的电子结构、自旋和轨道磁矩及其交换作用分析

用自旋极化的MS-Xα方法研究了稀土-过渡族化合物SmCo5的电子态密度、自旋能级劈裂及原子磁矩.研究结果显示,由于化合物中Sm-Co间的轨道杂化效应,使Sm原子原来的5d0空轨道上占据了少量5d电子.由于Co(3d)-Sm(5d)电子间的直接交换作用,导致了Sm-Co间的磁性交换耦合,这是化合物中形成Sm-Co铁磁性长程序的一个重要原因.在SmCo5化合物中存在6个能级呈现负交换耦合,导致了SmCo5化合物的居里温度(与金属钴相比)明显下降.还研究了化合物中2c和3g晶位Co的自旋磁矩和轨道磁矩,发现Co(2c)晶位的自旋磁矩、轨道磁矩及冻结部分均略大于Co(3g)晶位,所以2c晶位的L-S耦合强度应略大于3g晶位.因此,2c晶位对SmCo5磁晶各向异性的影响也应大于3g晶位.但Co(2c)未被冻结的轨道磁矩却略小于Co(3g),所以两种晶位对磁晶各向异性的贡献大小之差别不应太大.考虑到4f电子的局域性和化合物中轨道杂化效应所导致的Sm(5d0)空轨道上占据了少量5d电子,可以得到Sm原子磁矩为1.29μB,与顺磁盐中Sm3+磁矩实验值(1.32-1.63uB)及金属中Sm原子磁矩实验值(1.74μB)基本符合.     

测量电子间的自旋-自旋相互作用强度

电子带负电,电子—电子间相互排斥是大家所熟知的。但电子具有自旋磁矩却较少为人所知。显然,两个自旋磁矩之间将会相互施加磁力。但是,上述双电子自旋之间的相互作用至今还没有被测量过。这主要是因为它们的磁矩太小,以致于常常被其他效应所淹没。如果双电子之间的距离是原子尺度,泡利不相容原理及库仑排斥将占支配地位。具体地说,当两个电子相互靠近时,如果它们的自旋反平行,则将共享同一个电子轨道,静电库仑能增加;反之,如果它们的自旋平行,则将分别具有各自的电子轨道,静电库仑能减少。如果双电子之间的距离增大到微米量级,它们之间的磁相互作用将大大减小,通常会被环境磁场施加于电子磁矩的力所淹没。     

Ni4NdB电子结构和磁性能第一性原理研究

采用第一性原理,在局域自旋密度近似LSDA及LSDA+U近似,对Ni₄NdB化合物进行结构优化,计算体系晶格常数,电子结构和磁性能.结果表明,Ni₄NdB为带隙很小的金属导体,存在Nd-Ni铁磁耦合,体系总磁矩由Nd原子局域磁矩提供.体系原子成键较为复杂,Nd原子与近邻Ni原子成金属键,Nd原子与近邻B原子成较强离子键,Ni原子与近邻Ni原子间存在间接交换相互作用.在U作用下,体系磁矩与Nd原子磁矩变化一致,Ni原子磁矩在2.75 eV呈现磁有序-磁有序崩溃转变 关键词： 密度泛函理论 电子结构 磁性能 稀土过渡金属间化合物     

非晶态微观磁性的涨落和磁结构

一、非晶态结构对微观磁性的影响 非晶态原子排列结构的长程无序性导致微观物理量存在涨落分布. 在非晶态固体中,各处原子(或离子)的元磁矩大小即使在绝对零度下也是不等的.元磁矩大小的涨落分布可以通过核磁共振技术或Mossbaner谱学技术测量超精细场Hhf进行研究.图1示出了一些非晶态固体在远低于磁有序温度的超精细场分布P(Hhf),它反映了绝对零度的固体中元磁矩大小的分布. 稀土原子或离子的元磁矩是4f 未满壳层电子贡献的.由于有外层5d和6s电子屏蔽,这些无磁矩大小受周围原子和电子的影响很小,因而涨落很小.如图1中,非晶态DyNi3合金中…     

磁性X射线散射

当一束X射线射入晶体时,它被构成晶体的原子周围的电子电荷所散射.由这种电荷散射所产生的X射线衍射,是研究凝聚态物质结构的有力工具.然而,由于X射线是电磁波谱的一部分,它不仅受到电荷的散射,也与电子磁矩发生相互作用,产生磁散射.早在1929年,Klein和Nishian在研究Compton 散     

磁性测量讲座 第二讲 研究磁结构的实验方法(I)

物质的宏观磁性来源于物质内部的磁结构,例如铁磁物质的磁化过程,就是磁畴的取向和尺寸变化的宏观反映.物质由顺磁到铁磁或反铁磁的转变是原子磁矩由无序转变为某种形式的有序结构的结果.因此,为了研究物质宏观磁性的来源,探求它的物理本质,人们总希望侥“看“到物质内部的结构     

钴铝共掺3C-SiC电子结构和磁性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分别计算了不同Co原子比例单掺杂、Al原子单掺杂和Co-Al共掺杂3C-SiC的电子结构和磁性参数.结果表明:随着掺杂Co原子比例的增大,单个Co原子对体系总磁矩贡献的平均值反而减小.由电子态密度分析掺杂3C-SiC体系中的磁性来源,主要是由Co-3d以及Co原子附近的C-2p电子轨道的自旋极化产生的. Al单掺3C-SiC时体系中每个原子的平均磁矩和体系总磁矩均为0,即Al单掺杂体系不具有磁性.而Co-Al共掺杂得到的体系总磁矩比单掺等量Co时要大约0. 09μB,即Co-3d与Al-3p电子轨道发生轨道杂化,使得Co-Al共掺杂可以增大Co原子对体系总磁矩的贡献.     

中子星中简并电子气体的临界磁化

中子星内部的电子处于高度简并或完全简并的状态,电子磁矩(包括内禀磁矩和朗道反磁矩)的取向不是随机的,而是呈现出极强的磁化行为.考虑了磁化后的磁诱导方程要改写,改写后的方程添加了新的磁场生成项,更重要的改变是等效磁扩散系数变小了(顺磁情况),在临界情况(等效扩散系数等于零),磁场在磁生成项的作用下增加直到抑制机理出现,朗道反磁矩就是在这个时候变得越来越重要.磁场增加的最终结果使中子星局域磁场成为振荡的,对外看来有可能成为磁星. 关键词： 中子星 简并 磁化     

基于机器学习的无机磁性材料磁性基态分类与磁矩预测

磁性材料是信息时代重要的基础材料,不同的磁性基态是磁性材料广泛应用的前提,其中铁磁基态是高性能磁性材料的关键要求.本文针对材料项目数据库中的无机磁性材料数据,采用机器学习技术实现无机磁性材料铁磁、反铁磁、亚铁磁和顺磁基态的分类以及无机铁磁性材料磁矩的预测.提取了材料的元素和结构属性特征,通过两步式特征选择方法分别为磁性基态分类和磁矩预测筛选了20个材料特征,发现材料特征中的电负性、原子磁矩和原子外围轨道未充满电子数对两种磁性性能具有重要贡献.基于机器学习的随机森林算法,构建了磁性基态分类模型和磁矩预测模型,采用10折交叉验证的方法对模型进行定量评估,结果表明所构建的模型具有足够的精度和泛化能力.在测试检验中,磁性基态分类模型的准确率为85.23%,精确率为85.18%,召回率为85.04%, F1分数为85.24%;磁矩预测模型的拟合优度为91.58%,平均绝对误差为0.098μB/atom.本研究为无机铁磁性材料的高通量分类筛选与磁矩预测提供了新的方法和选择,可为新型无机磁性材料的设计研发提供参考.     

Fe-Cu和Fe-Ag金属颗粒膜的磁性

报道了Fe-Cu和Fe-Ag金属颗粒膜的晶体结构和磁性。电子衍射和高分辨透射电子衍射分析证实:在这些样品中铁颗粒从cu或Ag中脱溶出来而均匀分布在整个样品中。磁测量表明,当样品中铁成分较低时(x<0.25),在较高温度下,存在铁磁-超顺磁相变。基于超顺磁性理论,可以很好地解释铁颗粒有效磁矩随外磁场的变化特性,并且由此估计了铁磁颗粒的平均大小。在1.5K温度下,当样品中铁成分较低时(x<0.20),铁颗粒平均原于磁矩低于大块材料。在低温下,磁化强度对温度的依赖性测量表明,随着样品中铁成分的降低,样品磁性呈现 关键词：     

Nd2Fe14B的价电子结构分析和磁性计算

应用固体与分子经验电子理论计算了Nd2Fe14B的价电子结构、磁矩和居里温度,计算结果与实验值相符.计算表明:该合金的磁性与3d磁电子数成正比.从Fe(c)晶位到Fe(k2)晶位磁矩增加,其机理源于价电子、哑对电子和3d磁电子之间的转化,有78%的哑对电子和18%的3d共价电子转化成了磁电子.居里温度和磁矩与Fe原子配位数成正比,与加权等同键数Iσ成反比,Nd原子和B原子通过调节原子间键距影响Nd2Fe14B合金的居里温度.     

电子自旋共振中的g因子

凡具有未偶电子的物质,都可作为电子自旋共振的研究对象,将其置于恒定磁场(?)中时,会引起因电子自旋体系与外磁场相互作用所产生的塞曼(Zeeman)能级分裂,如果在垂直外磁场(?)方向上再加一频率为V的电磁辐射线偏振磁场(起作用的是它的右旋圆偏振分量),当满足hv=gμ_BB时,就会发生塞曼能级间的共振吸收(和辐射)现象,这就是电子顺磁共振(EPR)。理论和实验     

钙钛矿La0.8Ca0.2MnO3多晶样品的制备及低温磁学特性

我们利用固相反应法制备了粉末状La0.8Ca0.2MnO3样品,其空间群为pnma,样品中存在超顺磁性粒子,其截止态和超顺磁态的转变温度为185K,从dσ/dT的负峰得到铁磁-顺磁相变居里温度为210K,在顺磁领域线性拟合而得到顺磁居里温度为216.4K,分子式有效磁矩为6.25μB,低温领域磁化曲线服从布洛赫T32定律,其自旋波劲度系数为49.2meV2.     

Fe位Al掺杂对Sr2FeMoO6磁结构和磁输运性质的影响

研究了Sr2Fe1-xAlxMoO6(0≤x≤0.30)系列多晶样品的磁学和输运性质.室温X射线衍射谱图的精修结果显示Al3+掺杂没有改变样品的晶格结构,但提高了Sr2FeMoO6晶格的阳离子有序度.5K时样品的磁化曲线说明平均单位分子饱和磁矩随着Al含量的增加而下降,但平均单位Fe离子磁矩却逐渐提高.磁化曲线的拟合结果显示样品内反铁磁相互作用对饱和磁矩的贡献随着Al含量的增加而下降,说明一定量的Fe离子被Al替代后,抑制了样品内Fe-O-Fe反相边界的形成,从而提高了Sr2FeMoO6晶格的阳离子有序度和平均单位Fe离子磁矩.对饱和磁矩的分析表明非磁性Al3+离子掺杂会形成无磁相互作用的Mo-O-Al-O-Mo区,可以将原来较大的Mo-O-Fe亚铁磁区分割成许多小的区域,并且使这些亚铁磁区间的磁耦合作用变弱,从而提高了低场磁电阻效应.阳离子有序度的提高使来源于自旋相关电子在反相边界处散射的高场磁电阻明显降低,导致了样品的磁电阻在x=0.15时达到了最大值.     

探测环绕碳纳米管运动电子的轨道磁矩

环绕碳纳米管(CNT)运动的传导电子应轨道磁矩.轨道磁矩影响CNT的磁化率以及磁电阻等物性,或者说,影响CNT在外场下的电子能态.不过,在已往的实验中上述轨道磁矩从未被探测过.最近,来自美国康奈尔大学原子和固态物理实验室的Minot等以他们的新实验证明:环绕CNT壁作轨道运动的电子,其轨道磁矩的幅值大致与理论预言相符,它等于单电子环行所产生的电流与环路面积的乘积.假定电子的环行速度是vF,CNT的直径是D ,则电子的轨道磁矩μorb=DevF/4 ,其中e是电子电荷.当一根小能隙的CNT悬挂在源极和漏极之间,便形成了一个量子点.量子点中处于导…     

蛋白质顺磁标记技术与生物核磁共振中的赝接触位移

未配对电子与蛋白质分子自旋核的作用能提供丰富的长程结构信息,这些顺磁信息通常可用顺磁弛豫增强、赝接触位移和残余偶极耦合描述,其中赝接触位移包含生物大分子内重要的距离和角度信息.稀土离子具有相似的配位化学性质和不同的顺磁物理特性,而大多稀土离子具有磁各向异性,在与大分子作用过程中会产生赝接触位移.由于大多数蛋白质没有顺磁中心,获得这些顺磁信息需要通过定点选择标记蛋白质来实现.该文旨在对近年来蛋白质顺磁标记的方法和进展进行介绍,在顺磁标记基础上阐述赝接触位移在结构生物学中的应用.     

第一性原理研究闪锌矿结构CrSe和CrAs半金属铁磁性的稳定性

运用第一性原理的全势能线性缀加平面波方法对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行自旋极化计算。闪锌矿结构CrSe和CrAs处于晶格平衡时都具有半金属性,它们自旋向下的电子能带带隙分别为3.38eV 和1. 79eV,同时,它们的自旋总磁矩分别为4.00和3.00μB/formula。自旋总磁矩主要来源于Cr的原子磁矩,Se和As的原子磁矩对总磁矩的贡献很小而且为负值,因而它们具有明显的铁磁性特征. 使晶体晶格在±10%的范围内发生各向同性形变,对闪锌矿结构CrSe和CrAs的电子结构进行计算. 计算结果表明,当晶格各向同性形变分别为-4 % ~ 10 %和-2 % ~10 %时,闪锌矿结构CrSe和CrAs仍然保持半金属铁磁性,并且总磁矩都稳定于4.00和3.00μB/formula.     

软x射线磁性圆二色吸收谱研究铁单晶薄膜的面内磁各向异性

利用软x射线磁性圆二色(XMCD)吸收谱测得Fe/MgO膜不同磁化方向的轨道磁矩和自旋磁矩.实 验表明，沿铁单晶薄膜的不同方向，铁原子轨道磁矩的改变量达到600%以上，而自旋磁矩的 变化约50%，但原子的总磁矩没有如此大的改变.结合常规方法分析了铁薄膜的宏观磁各向异 性性质，半定量地获得磁矩与宏观各向异性能的关系，并对样品的磁矩和磁各向异性能进行 了比较. 关键词： x射线磁性圆二色 磁各向异性 磁性薄膜