磁性量子隧道效应.doc

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1、磁性量子隧道效应摘要；由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿[1]。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。理论计算表明，对于能量为几电子伏的电子，方势垒的能量也是几电子伏，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为10时，粒子透射概率减小到10-10，已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不

2、可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。对于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在，此现象也是一种隧道效应。关键词：磁性量子隧道效应在三十年前，凝聚态物理中最有意义的发现之一是在超导体中的磁通量子化效应c^)，由此A．J．Leggett提出了宏观量子隧道效应(MQT，MacrostopicQuantumTunneling)的存在．最近几年里，Chudnovsky、Barbara等人的理论研究预言cT)，宏观量子隧道效应不单在超导体中存在，在磁性体

3、系中亦存在宏观量——饱和磁化强度，M(r，t)，在不同亚稳态间的量子隧道跃迁现象。磁性量子隧道效应(QTM，QuanturnTunnellngofMagnet／zation)的理论促进了深入的研究。直至1991年一一1992年，天津大学青年学者X．X．Zhang所在B'arce—lona犬学的Tejada实验组和IBM的Awsc-11alomzb组在实验上观察到了M(r，t)一一的量子隧道效应c8标志着QTM研究正在进入凝聚态物理研究的最前沿。为此，美国第37届3M年会(HOuston，l992年l2月)召开特剐讨论会研讨QTM的理论进展和实验事实．①美国物理学会高度评价了B

4、arcelona大学的实验结果，并且于1993年3月份将QTMy~为凝聚态物理今后五年重点方向之一．1．QTM理论一般来讲，QTM可划分为三种情形：(I)磁性单畴粒子或磁性粒子簇的饱和磁化强度的量子隧道效应，在此时M(rt)包含l0。一10个电子白旋，M在不同的排列方向上跃迁。(2)反磁化过程中的量子成校，尤其适于铁磁性薄膜中。(3)磁畴壁的最子相关行为或磁性孤粒子。1．1跃迁势垒夏跃迁几率(1)在磁性单畴粒子中，M(r，t)的排列方向变化受磁各向异性和外场作用。在球坐标系中，其总能量为E。=（K//+Ksin²ф~)sin²θ一MH(1一cosθ)(1)其中K//,K是各向

5、异性常数C正交备向异性中的第一、=项)，θ是M和外场H的夹角。在不同的外场下，在H

6、度。(3)在磁畴壁跃过钉钆缺陷造成的势垒的量子隧道效应中(这种情形类似超导中的losephsonJunctions)．势垒是由钉钆势和外场相互作用造成．δ是畴壁表面张力；Aw是畴壁面积；ε=l—H/Hc,Hc是骄顽力．转变温度Tc满足其中hc=Hc／Hm,Hm是各向异性场；w=v。／D．"。v。是畴壁运动速度，D是畴壁厚。1．2从经典热力学鞋迁封量子隧道鞋迁的转变磁化强度M(r．f)在不同的亚稳态之间的跃迁．具有一定的几率r．r由两部分组成：r=r(TA)+r(MQT)(8)r(TA)是由热运动造成的．满足一般的玻耳兹曼分布，随温度下降而减小，当T→0K时．r(TA)→o；r

7、(MQT)是由量子隧道效应造成的跃迁，在转变温度Tc以下是和温度无关的常量。。在高温时，r(TA)起主导作用；低温时．r(MQT)起主要作用(参图3)．这样，存在一个由经典作用区间向QTM区闾的转变。温度Tc附近：由理论指出，不同的磁性材料，Tc具有0,1K到几K的量级；而且，Tc是外加磁场H的函数。1．3耗散对QTM的影响在我们考虑宏观尺度的物理量M(r，t)的隧道跃迁时必须考虑其微观尺度上的相互作用环境，即其耗散环境，因为耗散对其跃迁势垒有直接影响。耗散在接近绝对零度时降低了隧穿速度，并且在转变温度