铁磁性磁性耦合机理

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1、从分子场理论，到海森伯交换作用模型，再到布洛赫自旋波理论，都认为每个磁性原子具有一个固定大小的磁矩，是近邻原子中电子之间的静电交换作用使其磁矩保持一定取向，从而实现磁有序状态的，我们称之为局域电子模型，以强调这样的认识：对磁性有贡献的电子（例如3d和4f电子）全部局域在原子核附近。在这种观点基础上建立起的铁磁理论获得了相当的成功：揭示了分子场的本质；推出了铁磁体磁化强度温度关系以及居里-外斯定律；推出了布洛赫定律和色散关系：，特别对理解铁磁金属盐类和氧化物上更为成功，测得的磁性原子磁矩大小均为玻尔磁子的整数倍。后来局域

2、电子模型还成功地揭示了亚铁磁性和反铁磁性的成因。然而对于铁磁金属和合金，由于传导电子的存在，局域电子模型并不完全适合，因而理论上还存在着许多与实验不符的结论。需要我们用全新的观点来处理。问题的提出能带模型的物理图像能带论对铁磁性自发磁化的解释斯托纳判据巡游电子模型的发展金属铁磁性理论的发展现状参考：戴书5章p320，姜书3.11，3.12节3.4金属铁磁性的能带模型及巡游电子理论实验表明由饱和磁化强度测量给出的Fe，Co，Ni原子磁距的平均有效玻尔磁子数分别为2.2,1.7,0.6,有悖于局域电子模型给出的结论，数值不

3、同且不是整数。按局域电子模型，与磁化率有关的居里常数应为:而由过渡金属磁化率测出的居里常数C无法给出整数或半整数自旋量子数S,且与饱和磁矩无关。在某些情况下有些金属的磁化率甚至不遵守居里-外斯定律。3.过渡族金属的结合能和电子比热比正常金属大5－10倍，表明3d电子参与了导电。一、问题的提出由饱和磁化强度测量给出的平均有效玻尔磁子数往往不是整数，其原因是多方面的，对于过渡族金属，虽说由于晶场效应，轨道磁矩被冻结，主要是自旋磁矩所贡献，但因为一是因为自旋-轨道耦间的相互作用，依然会有一些轨道磁矩的影响，二是铁磁金属中在顺

4、磁性离子实周围会出现一些局部感生传导电子磁化强度。但现在的问题是金属态的Fe，Co，Ni测量给出的磁矩值与严格按照局域电子模型计算出来的孤立原子的磁矩值相比要小的多，且不是整数。无法用局域电子模型解释。参考Kittel书p226一点说明这一切都说明，对磁性有贡献的3d电子也参与了导电，不完全是局域电子，再用原子磁矩这个概念就很不恰当了，必须在能带论的基础上重新讨论过渡金属及其合金的铁磁性起因问题，按照能带论，3d，4s电子都可以在整个金属晶格周期场中运动，但与自由移动的4s电子相比，3d电子仍有一定的局域性，因此为了和

5、局域电子模型相区别，在此观点建立起的铁磁理论又称作巡游（itinerant）电子模型。参与该模型早期建立工作的有：Bloch（1929），Wigner（1934），Stoner（1936），Mott（1935）,Slater（1936）等。（下划红线者是Nobel物理学奖获得者）过渡族金属中的3d和4s电子都能在周期性的晶格中巡游。它们形成的能带由于布里渊区的限制会有交迭，形成3d和4s的混合带，如图所示：二、能带模型的物理图像=1第一能带=2,3=4,5,6第二能带第三能带第四能带右上图表示费米能级穿过两个能级

6、的情况。简约区中自由电子的费米面以下是过渡金属3d和4s电子能态密度示意图，图中数字表示原子的平均电子数及所对应的费米面位置。可以看出3d和4s能带是交迭在一起的，4s是宽带，3d是窄带，除去4s电子可以自由移动外，3d电子也会有一定程度的传导性（Cu没有）。见黄昆书p422CuCoNiFe实际Fe，Co，Ni的能带十分复杂，存在很多峰和谷，后来的严格计算和实验结果基本是一致的（0K）见戴书p327Rydberg里德伯（光谱学单位）Ni见戴书p328f.c.c.Fe三、能带论对铁磁性自发磁化的解释3d过渡金属及合金中，

7、由于轨道冻结，它的磁矩仅依赖于自旋磁矩。每个电子具有一个玻尔磁子µB，所以按照局域电子模型，每个原子的磁矩只能是玻尔磁子的整数倍，实验给出的原子磁矩为什么会是非整数呢？能带论是这样解释的：在金属中，传导电子能级是量子化的，由于泡利不相容原理每个能级只能被正、负自旋的两个电子所占据。在0K时，N个电子占据到最高能级费密能级EF为止，正负自旋电子总数相同，磁矩相互抵消，对外不显示磁性，温度不为零时只有费密面附近极少数的电子可以在外磁场中反向，产生微弱的顺磁性（泡利顺磁性）。斯托纳认为在铁磁金属中，电子之间存在着一个正的交换

8、作用，相当于晶体中存在着一个沿正方向的内磁场。使具有正自旋的态密度所具有的最低能量比负自旋的要低。即产生一个能带劈裂。由于这个交换场Hm比通常的外加磁场强得多，因此交换作用引起的能带劈裂比顺磁金属在外磁场中的劈裂大得多，这就是出现自发磁化的原因。此时正自旋和负自旋能带中的电子数可表示为：由这个能带极化引起的自发磁化强度为：很简洁