Магнондар: Квантталған айналу толқындары

Кіріспе

Спин 1 квазибөлшегі; спин толқынының кванты.

Магнон – квазибөлшегі, кристалл торындағы электронның спин құрылымының ұжымдық қоздырылысы. Кванттық механиканың толқындық сипаттамасында магнонды квантталған спин толқыны деп қарастыруға болады. Магнондар белгілі бір мөлшерде энергия мен тор импульсін тасымалдайды және спині 1-ге тең, яғни олар бозон тәрізді мінез-құлық көрсетеді.

Қысқаша тарихы

Магнон ұғымын 1930 жылы Феликс Блох ферромагниттегі спонтанды магниттелудің төмендеуін түсіндіру үшін енгізді. Абсолюттік нөлдік температурада (0 К) Гейзенберг ферромагниті ең төменгі энергия деңгейіне (негізгі күй деп аталады) жетеді, онда барлық атомдық спиндер (және демек, магниттік моменттер) бір бағытта бағытталған болады. Температураның көтерілуімен, көбірек спиндер бағыттан кездейсоқ түрде бұрылып, ішкі энергияны арттырады және таза магниттелуді азайтады. Егер нөлдік температурадағы толық магниттелген күйді ферромагниттің вакуумдық күйі ретінде қарастырсақ, онда бірнеше рет дұрыс бағытталмаған спиндері бар төмен температуралық күйді квазибөлшектер газы ретінде қарастыруға болады, осы жағдайда магнондар. Әрбір магнон, магниттелу бағыты бойынша жалпы спинді бір бірлікке (тоқылған Планк тұрақтысы) және магниттелуді , мұнда – гиромагниттік коэффициентімен азайтады. Бұл Блохтың спонтанды магниттелудің температураға тәуелділігі заңына алып келеді: мұнда – (материалға тәуелді) сын температурасы, ал – спонтанды магниттелудің шамасы. Магнонның сандық теориясын Теодор Холштейн мен Генри Примаков, содан кейін Фриман Дайсон одан әрі дамытты. Екінші кванттау формализмін қолданып, олар магнонның Бозе-Эйнштейн статистикасын (бозон) сақтайтын, әлсіз өзара әрекеттесетін квазибөлшек ретінде танылдығын көрсетті. Толыққанды қарастыру Чарльз Киттельдің «Қатты дене физикасы» оқулығында немесе Ван Кранендонк пен Ван Влектің алғашқы шолу мақаласында кездеседі. 1957 жылы Бертрам Брокхаус ферритте иілгіш нейтрон шашырауы арқылы магнонды тікелей эксперименттік жолмен анықтады. Одан бері магнондар ферромагниттерде, ферримагниттерде және антиферромагниттерде табылды. Магнонның Бозе-Эйнштейн статистикасын сақтауы 1960-1980 жылдар аралығындағы жарық шашырауы эксперименттерімен расталды. Классикалық теория Стокс және антистокс сызықтарының тең қарқындылығын болжайды. Алайда, шашырау көрсеткендей, егер магнон энергиясы жылу энергиясына тең немесе одан кіші болса, яғни , онда Стокс сызығы Бозе-Эйнштейн статистикасынан көрінетіндей күшейеді. Магнонның Бозе-Эйнштейн конденсациясы Nikuni және авторлар тобы антиферромагнитте төмен температурада, ал Demokritov және авторлар тобы ферримагнитте бөлме температурасында дәлелдеді. 2015 жылы Uchida және авторлар тобы беттік плазмондардың резонансы арқылы спин токтерінің туындауын хабарлады.

The concept of a magnon was introduced in 1930 by Felix Bloch in order to explain the reduction of the spontaneous magnetization in a ferromagnet. At absolute zero temperature (0 K), a Heisenberg ferromagnet reaches the state of lowest energy (so called ground state), in which all of the atomic spins (and hence magnetic moments) point in the same direction. As the temperature increases, more and more spins deviate randomly from the alignment, increasing the internal energy and reducing the net magnetization. If one views the perfectly magnetized state at zero temperature as the vacuum state of the ferromagnet, the low temperature state with a few misaligned spins can be viewed as a gas of quasiparticles, in this case magnons. Each magnon reduces the total spin along the direction of magnetization by one unit of (reduced Planck's constant) and the magnetization by , where is the gyromagnetic ratio. This leads to Bloch's law for the temperature dependence of spontaneous magnetization:

where is the (material dependent) critical temperature, and is the magnitude of the spontaneous magnetization. The quantitative theory of magnons, quantized spin waves, was developed further by Theodore Holstein and Henry Primakoff, and then by Freeman Dyson. Using the second quantization formalism they showed that magnons behave as weakly interacting quasiparticles obeying Bose–Einstein statistics (bosons). A comprehensive treatment can be found in the solid state textbook by Charles Kittel or the early review article by Van Kranendonk and Van Vleck. Direct experimental detection of magnons by inelastic neutron scattering in ferrite was achieved in 1957 by Bertram Brockhouse. Since then magnons have been detected in ferromagnets, ferrimagnets, and antiferromagnets. The fact that magnons obey the Bose–Einstein statistics was confirmed by the light scattering experiments done during the 1960s through the 1980s. Classical theory predicts equal intensity of Stokes and anti Stokes lines. However, the scattering showed that if the magnon energy is comparable to or smaller than the thermal energy, or , then the Stokes line becomes more intense, as follows from Bose–Einstein statistics. Bose–Einstein condensation of magnons was proven in an antiferromagnet at low temperatures by Nikuni et al. and in a ferrimagnet by Demokritov et al. at room temperature. In 2015 Uchida et al. reported the generation of spin currents by surface plasmon resonance.

Парамагнондар

Парамагнондар – магниттік материалдардағы магнондар, олар жоғары температурадағы, тәртіпсіз (парамагниттік) фазада болады. Температура жеткілікті түрде төмен болғанда, ферромагниттік немесе антиферромагниттік қосылыстардағы жергілікті атомдық магниттік моменттер (спиндер) реттелген күйге келеді. Моменттердің олардың табиғи бағытынан шағын тербелістері толқындар (магнондар) түрінде тарайды. Критикалық температурадан жоғары температурада ұзақ қашықтықтағы ретсіздік пайда болады, бірақ спиндер әлі де локальды түрде жиынтықтарда бағытталады, бұл спин толқындарының қысқа қашықтыққа таралуына мүмкіндік береді. Бұл толқындар парамагнон деп аталады және диффузиялық (баллистикалық немесе ұзақ қашықтыққа тарамайтын) тасымалдануға ұшырайды. Бұл концепция алғаш рет Берк пен Шриффер, сондай-ақ Дониах пен Энгельсберг ауыспалы металдардағы спин флуктуацияларына негізделген, кейбір металдарда электрондар арасындағы қосымша итергіш күшті түсіндіру үшін ұсынылды, бұл суперөткізгіштіктің критикалық температурасын төмендетеді.

Қасиеттері

Магнон мінез-құлқын әртүрлі шашырату техникаларымен зерттеуге болады. Магнондар химиялық потенциалы жоқ Бозе газы ретінде мінез-құлық көрсетеді. Микротолқынды сорғылау спин толқындарын қоздырып, фонондарға жылуланатын қосымша тепе-теңдіксіз магнондарды жасауға мүмкіндік береді. Белгілі бір тығыздыққа жеткенде конденсат пайда болады, ол монохроматикалық микротолқынды сәулелену түрінде көрінеді. Бұл микротолқынды көзді сыртқы магнит өрісі арқылы реттеуге болады.