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磁振子介绍

PAGE  PAGE  PAGE 8 磁 振 子 摘要:文章首先介绍了磁振子的概念,然后利用海森堡模型通过霍斯坦因-普里马可夫变换求解了铁磁体中自旋波的频谱,从而给出了磁振子的能量表达式。 磁振子是自旋晶格系统的一种元激发,属于互作用系统的一种集体激发。这里主要以铁磁体为例来讨论这种元激发。 对于自旋晶格系统,由于交换作用,这个系统的基态是磁性离子自旋排列的有序状态。最常见的简单磁有序状态有:铁磁序、反铁磁序、铁淦氧磁序(亚铁磁序),他们分别如图1(a)、(b)、(c)所示。(a)铁磁序 (b)反铁磁序 (c)亚铁磁序 图1 自旋-自旋互作用系统的基态 我们以铁磁体为例来说明系统受微扰以后的激发态情况。设铁磁体中某一个格点上的自旋因受扰动而偏离量子化轴方向,,这时自旋间的交换作用表现出如下特征:(ⅰ) 将带动近邻格点上的自旋,而这些自旋又将使他们的近邻自旋取向改变,于是扰动以自旋集体运动的形式传播;(ⅱ)近邻自旋对的作用要使它恢复原来取向以保持有序状态。这时在晶格中将形成离子自旋相对取向的振荡,图2是其经典图像。由于各格点上进动自旋的方位角不同,磁振子具有类似波动的特征,这个波称为自旋波。描述自旋波的量子称为磁振子,它是代表晶格自旋相对取向振荡的量子,是一种集体激发。 这里以铁磁体为对象讨论其低激发态。这类系统的基态是所有自旋取向都相同的态,我们以海森堡模型为基础来进行讨论。 (a)立体图 (b)顶观图 图3.2 自旋波的经典图像 1.海森堡模型 自旋-自旋相互作用系统的哈密顿通常表示为 (1) 其中代表第了个格点上磁性离子的矢量自旋算符,代表求和时不计的项,是与两格点离子上电子间的交换积分。 (2) 这里为简化记号令。式(1)和(2)就是海森堡模型,在应用时,往往采用更为简化的哈密顿.考虑到交换积分的大小与格点间电子云的重叠程度有关,交换作用是短程作用,可以只计算近邻格点间的作用。若再假定为各向同性的常数,则海森堡模型可表示为 (3) 代表近邻格点间的位置矢差。当时,式(3)的基态为铁磁序,当时可用于描述反铁磁性,当、并且近邻格点为不同磁离子(不同)时,则用于描述亚铁磁,即铁淦氧磁序。此处略去海森堡哈密顿的推导。 2.铁磁体的基态 一般情况下三维海森堡模型的严格解至今尚未找到,但对于铁磁体的低激发态,可通过变换使近似对角化,求得低温自旋波解。 首先看铁磁体的基态。 哈密顿量中所含矢量算符的分量之间有对易关系 (循环递推); 为简化书写,这里和以后都取。由于算符之间还要满足以下等式: (4) 因为的三个分量并不独立,讨论自旋相互作用系统的有关问题时,常采用和算符;它们满足对易式 , (5) 设为量子化轴方向,则格点上的自旋态可用离子的自旋和磁量子数标记:,的取值可为0,.按量子力学有 , (6) 即和为上升和下降算符。它们作用于格点自旋态的结果分别使磁量子数升1或降1;其图像是分别使自旋沿轴的投影增加或减少一个量子数。引用和可将Heisenberg Hamiltonian 改写成 (7) 不难论证,个格点上的磁量子数均为时具有最低的能量,是系统的基态,用表示: ; 其中是的缩写。由于磁量子数取最大值后不能再升值,,所以。同理根据,还应当有: (8) 所以(7)式的哈密顿量对上述基态作用的结果是: (9) 其中是晶格配位数,推导中引用了本证方程 注意到系统中有任何格点的磁量子数偏离了其最大值,就会导出高出 的结果,故 的能量本征值 (10) 就是系统的基态能。相应的基态图像是所有格点的自旋磁矩均

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