磁学研究现状与发展趋势课件.ppt

磁学研究现状与发展趋势 孙 继 荣 广 西 . 北海 2010.12.16 现代磁学发展简史 新磁学研究的特点与发展趋势 新磁学研究方向 举例 报 告 内 容 1894年 居里确定了顺磁磁化率与温度成反比的实验定律（居里定律） 1905年朗之万将经典统计学应用到原子磁矩系统上，推导出居里定律 1907年外斯（Weiss）假设分子场，解释了自发磁化。 经典磁学的困难：无法解释原子磁矩的大小；不能说明分子场的起源。 1924年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋-量子力学效应 1926年海森堡揭示了分子场的微观机制-交换作用 斯托纳、斯莱特和莫特提出巡游电子模型--过渡金属的非整数磁矩 现代磁学发展简史 在基本磁学问题研究取得不断进展的同时，磁性材料的应用也得到了快速发展。在工业化潮流的推动下，上个世纪早期低矫顽力的软磁材料迅速发展，相继出现了硅钢、坡莫合金等软磁材料。之后，在无线电技术需求的推动下，40年代又发展了适用于射频的磁粉介质、铁氧体材料，特别是后者，为电子技术带来了翻天覆地的变革。和软磁材料不同，去掉磁场后仍能保持磁性的材料称为永磁材料。按照磁体成分划分，永磁材料的发展历程可以分为三个阶段。第一阶段：金属磁体题，碳钢、钨钢及钴钢等；第二阶段：铁氧体；第三阶段：稀土永磁材料。永磁材料在微波通讯、音像和数字纪录、信息技术以及工业、国防和日程生活等各领域的应用极为广泛。 现代磁学发展简史 新磁学研究是以自旋电子学概念的提出为起点的。电子具有电荷和自旋自由度，但传统的微电子学器件功能设计主要是基于电荷，忽略了自旋自由度。实际上，随着研究的深入，人们发现低维纳米尺度的体系中自旋自由度在很多方面优于电荷，例如退相干时间长、能耗低等。充分利用电子的自旋属性，有可能获得功能更强大、操控更方便、处理速度更快的新一代微电子器件。以此为契机，作为凝聚态物理的一个新的分支--自旋电子学出现了。 经过近一个世纪的探索，对传统磁性基本问题的认识逐渐趋于成熟 尽管还存在一些有待于进一步澄清的问题，整体来讲基本磁学理论已经建立，对磁相关现象的认识不断深化，从表面到本质、从宏观到微观，解释也逐渐趋于完善。 对非强电子关联磁系统，已经可以从理论上准确预言体系的基态磁结构、磁化强度、电子自旋极化率。 有关传统固体软磁和硬磁性的研究，已逐渐成为材料科学问题，而较少在凝聚态物理领域讨论了，磁学研究的重心逐渐从传统磁学转向以自旋电子学为标志的新磁学研究。 现代磁学>>新磁学过渡 新概念 新效应 新规律 自旋电子学和半导体物理的交叉融合。以半导体作为自旋输运、操纵的载体，探索自旋运动规律，实现磁调控与电调控的有机结合。结合了磁性物理与半导体物理的磁性半导体、稀磁半导体是过去十年中凝聚态物理的重点研究方向之一 与信息物理、技术的交叉。信息技术的关键是信息的存储、传输与处理。磁记录在一个时期内将仍然是超高密度信息存储的主要技术。同时，以巨磁电阻效应为基础的更先进的信息读写技术已得到广泛应用，以隧道磁电阻效应为基础的磁随机存储器的研制也取得了阶段性成果。已有研究结果表明:非磁性半导体中各种自旋具有相当长的相干时间长度，且可受光、电控制,利用自旋的量子相干过程可能实现固态量子计算和量子通讯，引领新一代信息技术 1.更加注重和其他学科的交叉融合 新磁学研究的特点与发展趋势 和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的对称破缺、独特的层间耦合以及增强的量子涨落效应，自旋相关问题例如自旋-轨道耦合、自旋相干性在这里得到更突出的体现。一个典型的例子是对二维电子气系统（例如石墨稀）自旋流的产生与输运规律研究以及通过 Rashba 效应对二维电子自旋输运行为的调控。另外一个例子是低维磁性问题的研究。当维度降低到可以与特征关联长度相比时的特殊磁性、特殊界面问题、交换偏置问题。 与关联电子问题的交叉。关联量子现象的一个共同特征，是存在电荷、自旋、轨道、晶格等多种自由度或超导有序、磁性有序、电荷有序、轨道有序等多种有序相的共存和竞争。关联量子材料发现的各种新颖的量子现象正是来源于这些自由度或有序相的相互作用。在不同的材料或不同的外界环境中，不同自由度扮演的角色和重要性是不同的，这导致了关联量子材料丰富的量子相态。探索体系在不同相之间的电子结构的演化规律，研究关联电子系统中各种自由度随参数改变而导致的电子结构的改变，对于探索相关量子效应的起源，研究更有效的量子调控机理尤为重要。 庞磁电阻效应 多铁性现象 奇异表面/界面关联效应 磁学研究的特点与发展趋势 传统磁学关注磁矩之间的相互作用导致的集体激发行为，注重宏观统计行为的研究。统计平均往往抹平了自旋的量子特性。与此不同，现代磁学更关心自旋的运动学与动力学行为，自旋个体的输运规律、自