Введение
Квазичастица со спином 1; квант спиновой волны.
Магнон — это квазичастица, коллективное возбуждение спиновой структуры электрона в кристаллической решетке. В волновом представлении квантовой механики магнон можно рассматривать как квантованную спиновую волну. Магноны переносят фиксированное количество энергии и импульса решетки и имеют спин 1, что указывает на их бозонную природу.
Краткая история
Концепция магнона была введена в 1930 году Феликсом Блохом для объяснения уменьшения спонтанной намагниченности в ферромагнетике. При абсолютном нуле температуры (0 K) ферромагнетик Гейзенберга достигает состояния с наименьшей энергией (так называемое основное состояние), в котором все атомные спины (и, следовательно, магнитные моменты) ориентированы в одном направлении. С повышением температуры все большее число спинов отклоняется от этого направления случайным образом, увеличивая внутреннюю энергию и уменьшая результирующую намагниченность. Если рассматривать полностью намагниченное состояние при нулевой температуре как вакуумное состояние ферромагнетика, то состояние при низкой температуре с небольшим количеством разупорядоченных спинов можно рассматривать как газ квазичастиц, в данном случае магнонов. Каждый магнон уменьшает полный спин вдоль направления намагниченности на одну единицу постоянной Планка (приведенной) и намагниченность на , где – гиромагнитное отношение. Это приводит к закону Блоха для температурной зависимости спонтанной намагниченности:
где – критическая температура (зависящая от материала), а – величина спонтанной намагниченности. Квантовая теория магнонов, квантованных спиновых волн, была далее развита Теодором Холштейном и Генри Примакоффом, а затем Фрименом Дайсоном. Используя формализм второй квантизации, они показали, что магноны ведут себя как слабо взаимодействующие квазичастицы, подчиняющиеся статистике Бозе–Эйнштейна (бозоны). Подробное изложение можно найти в учебнике по физике твердого тела Чарльза Киттеля или в ранней обзорной статье Ван Кранендонка и Ван Влека. Прямое экспериментальное обнаружение магнонов посредством неупругого рассеяния нейтронов в феррите было осуществлено в 1957 году Бертрамом Брокхаусом. С тех пор магноны были обнаружены в ферромагнетиках, ферримагнетиках и антиферромагнетиках. Тот факт, что магноны подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна, был подтвержден экспериментами по рассеянию света, проведенными в 1960-х – 1980-х годах. Классическая теория предсказывает одинаковую интенсивность линий Стокса и антистокса. Однако результаты рассеяния показали, что если энергия магнона сопоставима или меньше тепловой энергии, то есть , то линия Стокса становится более интенсивной, что следует из статистики Бозе–Эйнштейна. Конденсация магнонов Бозе–Эйнштейна была продемонстрирована в антиферромагнетике при низких температурах группой Никуни и др. и в ферримагнетике группой Demokritov et al. при комнатной температуре. В 2015 году Uchida et al. сообщили о генерации спиновых токов посредством поверхностного плазмонного резонанса.
Парамагноны
Парамагноны — это магноны в магнитных материалах, находящихся в высокотемпературной, неупорядоченной (парамагнитной) фазе. При достаточно низких температурах локальные атомные магнитные моменты (спины) в ферромагнитных или антиферромагнитных соединениях упорядочиваются. Малые колебания моментов вокруг направления равновесия распространяются в виде волн (магнонов). При температурах выше критической температуры дальний порядок теряется, однако спины всё ещё выстраиваются локально небольшими областями, позволяя спиновым волнам распространяться на короткие расстояния. Эти волны называются парамагнонами и характеризуются диффузионным (а не баллистическим или дальнодействующим) транспортом. Данная концепция была впервые предложена Берком и Шриффером, а также Дониахом и Энгельсбергом для объяснения дополнительного отталкивания между электронами в некоторых металлах, которое приводит к снижению критической температуры сверхпроводности, основываясь на изучении флуктуаций спина в переходных металлах.
Свойства
Поведение магнонов можно изучать с помощью различных методов рассеяния. Магноны ведут себя как бозе-газ без химического потенциала. Микроволновое возбуждение может быть использовано для возбуждения спиновых волн и создания дополнительных неравновесных магнонов, которые термализуются в фононы. При критической плотности формируется конденсат, проявляющийся в виде излучения монохроматических микроволн. Этот источник микроволн можно настраивать внешним магнитным полем.