磁性入门 Introduction to Magnetism - 东京农工大学.PDF

磁性入門 Introduction to Magnetism 佐藤勝昭 Katsuaki Sato 東京農工大学工学部 Tokyo University of Agriculture and Technology E-mail: satokats@cc.tuat.ac.jp １．はじめに 私たちがこの「スピントロニクス入門セミナー」を提案したのは、「最近、スピンエレクトロニクスとか、 MRAM とか、磁性半導体とかの言葉をよく耳にするようになったが、磁性というのは大学の講義でもなかっ たし、半導体の物性と違ってスピンが関与するので理解しにくい、また磁気ヒステリシスのように巨視的な 話もあってとっつきにくい。半導体屋にもわかる磁性のセミナーを開いてくれないか」という声を何人かの 応用物理学会所属の半導体研究者から聞いたのがきっかけであった。 そこで、この磁性入門では、磁性特有の「業界用語」に慣れてもらうことを第１の目的とした。用語を簡 単に解説し、QA 形式で補いながら、だんだんに磁性の本質にふれていくこととしたい。ここでは、わかり やすさを重要視したので、理論的な厳密性は無視した。なお、記述の多くを日本応用磁気学会「初等磁気工 学講座テキスト」(高梨弘毅著) に負ったことを予めお断りする。 ２．用語とＱ＆Ａ (1) 磁化：磁化というのはmagnetization の和訳で「磁気を帯 びること、または、帯びた磁気」という意味である。Fig ． １（a）に示すように、物質に磁界を加えたとき、物質の 表面に磁極が生じ、一時的に磁石のようになるが、その (a) (b) とき物質が磁化されたという。「磁化M 」というときの Fig. １磁化の定義 (高梨：初等磁気工学講座) より M の大きさは、次項に述べるように全磁気モーメントの ベクトル和の単位体積あたりの値で表す。[磁気モーメン トの単位はWb⋅m なので、磁化の単位は、体積で割って Wb/m2 * となる。] (2) 磁気モーメント：仮想的な正負の磁荷+q, -q[単位はWb] が距離 r[m] だけ離れて対を作っているときに磁界 Fig.2 一様な磁界中に置かれた磁気モーメント H [A/m]を加えると、+q には+qH の力が、-q には-qH の力 が加わり回転する。回転のトルクはqr ×H と表される。 qr を磁気モーメントm [単位はWb⋅m] という。実際には 磁荷という物理量は存在しないので、qr と等価な回転を 与えるもとを磁気モーメントと呼ぶ。回転運動の保存量 は角運動量であるから、原子の磁気モーメントの起源は 電子のもつ角運動量に由来する。原子の磁気モーメント は軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメント、さらに Fig.3 常磁性の説明(佐藤・越田：応用電子物性工学) は核スピン磁気モーメントが加えあって生じている。核 磁気モーメントは、電子磁気モーメントに比べ小さいので、通常の磁性を考えるときは無視できるが、 * ここでの単位はSI 系に統一する。CGS-Gauss 系では磁気モーメントの単位はemu、磁化の単位はemu/cm3 となる。 1 磁気共鳴においては重要な役割を果たす。 (3) 常磁性：常磁性というのは英語のparamagnetism の和訳である。磁界を加えないと、Fig.3(a) のように磁 気モーメントはバラバラな向きを向いているが、磁界を