立方对称晶场中^6S（3d^5）态离子的磁相互作用及其自旋哈密顿参量的微观起源.pdfVIP

维普资讯 第 57卷 第 7期 2008年 7月 物 理 学 报 Vo1．57，No．7，July，2008 1OO0-3290L2OO8／57(07)／4512．09 ACTA PHYSICA SINICA @2oo8Chin．Phys．Soc． 立方对称晶场 中6S(3d5)态离子的磁相互作用及其 自旋哈密顿参量的微观起源* 杨子元 (宝鸡文理学院物理系，宝鸡 721007) (2007年 12月 10日收到；2007年 12月29日收到修改稿) 基于完全对角化方法(completediagonalizationmethod，CDM)，研究了 S(3 )态离子在立方对称 晶场中的磁相互 作用 ，分析 了自旋哈密顿参量(a，g，Ag)的微观起源 ．研究中除了考虑研究者通常考虑 的 s0(spin—orbit)磁相互作 用外 ，同时考虑了SS(spin—spin)，SOO(spin—other-orbit)，OO(orbit—orbit)磁相互作用 ．研究表 明：S(3d~)态离子在立方对 称 晶场 中的 自旋哈密顿参量起源于五种机理，即SO机理 ，ss机理 ，SOO机理，OO机理 以及SO—SS-SOOOO联合作用 机理 ．文中研究了五种机理的相对重要性 ，结果表明：SO机理与 SO—SS—SOO—OO联合作用机理在五种机理 中最为重 要 ．尽管 SS，SO0，O0磁相互作用单独作用时对 自旋哈密顿参量的贡献很小，但它们 的联合作用 SO—SS-SOO．OO机理 对 自旋哈密顿参量的贡献非常可观 ．此外研究表 明：零场分裂参量 a主要来 自纯 自旋 四重态及 自旋二重态与 自旋 四重态联合作用的贡献 ，而 Zeemang(或者 Ag)因子主要来 自纯 自旋 四重态 的贡献 纯 自旋二重态对 自旋哈密顿参 量 a与g(或者 Ag)的贡献为零 ．在我们所选择 的晶场 区域 ，发现下列关系始终成立 ：a0，a(一lDq1)a(1Dq1)， g(一Dq)=g(Oq)，a(一Dg，一 d，B，C)=a(Dq，1【，B，C)，Ag(一Dg，一 d，B，C)：Ag(Oq，Sd，B，C)．作为本 文理论 的应用 ，研究了四种典型的Mn“掺杂晶体材料 ，即Mn“：KZn ，Mn“：RbCdF~，Mn“：MgO，Mn“：CaO，理 论与实验测量符合很好 ． 关键词 ：自旋哈密顿参量，S(3d)态离子 ，磁相互作用 ，完全对角化方法 (CDM) PACC：7510D，7630F，7170C，7170E 特的性质 ，如巨Zeeman效应 、增强磁光效应 、自旋共 1．引 言 振隧穿等 ．事实上 ，近年来 的理论与实验研究 已经表 明，Mn 或 Fe。掺杂ZnO或 GaN半导体材料可能成 过渡金属离子 (如 Mn¨，Fe¨)是许多激光材 为理想 的稀磁半导体材料 ．Mn“与 Fe。离子属 料 、磁性材料及稀磁半导体材料 (dilutedmagnetic 3d5离子 ，自由的3d5离子的基态是。S态 ．在 晶体材 semiconductor，DMS)中的激活离子 ．过渡金属离子 的 料中，自旋哈密顿 (spin．Hamihonian，SH)参量是表征 微量掺入，对于这些新型材料的光 、电、磁等性能起 过渡金属离子掺杂材料性能的重要物理参量 ．研究 着重要作用 ．如所周知 ，常规 的半导体材料，如 si， 表明，晶体中过渡金属离子基态的 自旋 哈密顿参量 GaN，ZnS，ZnO等不具有磁性 ，而具有磁性 的过渡金