[科普中國]-磁激子

磁激子又稱自旋波，是指序磁性(鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁)體中相互作用的自旋體系由于各種激發(fā)作用引起的集體運(yùn)動，是磁性體中的一種準(zhǔn)粒子。

概述磁激子又稱自旋波，自旋波理論是1930年布洛赫首先提出的，是固體中一種重要的元激發(fā)，是由局域自旋之間存在交換作用而引起的，是體系中自旋的整體運(yùn)動1。

作為平均場的近似,分子場理論成功地描述了強(qiáng)磁性物質(zhì)的自發(fā)磁化行為,但在低溫下和居里點(diǎn)附近,該理論與實(shí)驗出現(xiàn)明顯的偏差,在居里點(diǎn)附近,熱運(yùn)動破壞了宏觀的磁有序,但由于交換作用是一種很強(qiáng)的近距離作用,因此還可能保持著近程的自旋關(guān)聯(lián).在低溫下,交換作用又顯示出長程關(guān)聯(lián)的性質(zhì),體系呈現(xiàn)了很強(qiáng)的磁有序,自旋波理論從體系整體激發(fā)的概念出發(fā),很好地解釋了自發(fā)磁化在低溫下的行為。

物理圖像在這里，我們討論一個簡單的情況。設(shè)有由N個格點(diǎn)組成的自旋體系，每個格點(diǎn)的自旋為s=1/2，這些格點(diǎn)組成簡單的布洛赫格子。只考慮最近鄰格點(diǎn)之間的交換作用，并假設(shè)相鄰自旋間的交換作用均相同（A>0），則體系的交換作用哈密頓量為：（1），其中表示求和遍及所有的最近鄰對。

在絕對零度（T=0K）下，熱力學(xué)第三定律要求自旋體系呈現(xiàn)完全的有序。對所假設(shè)的鐵磁體系（A>0），所有的自旋應(yīng)平行排列。每個格點(diǎn)自旋量子數(shù)均取最大值S。體系的總磁矩為這時總能量為最低，體系處于基態(tài)。

現(xiàn)在稍微升高體系的溫度，使體系中能夠有一個自旋發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這時將發(fā)生什么現(xiàn)象呢？如果這個翻轉(zhuǎn)的自旋出現(xiàn)在某一個格點(diǎn)上，由于相鄰格點(diǎn)間的交換作用有使自旋同向排列的趨勢，一方面翻轉(zhuǎn)了的自旋將牽動近鄰格點(diǎn)的自旋，使它們趨于翻轉(zhuǎn)；另一方面，近鄰格點(diǎn)的自旋又力圖驅(qū)使翻轉(zhuǎn)了的自旋重新翻轉(zhuǎn)回來。由此可見，自旋的翻轉(zhuǎn)不會停留在一個格點(diǎn)上，而是要一個傳一個，以波的形式向周圍傳播，直至彌散到整個晶體。我們把這種自旋翻轉(zhuǎn)在晶體中的傳播成為自旋波（磁激子）。

這種波對于我們來說并不陌生,在固體物理學(xué)的課程中，曾討論過晶格振動的傳播。在基態(tài)下，,每個格點(diǎn)的原子處于其平衡位置上，如果有一個原子受到某種擾動而偏離了平衡位置，那么由于周圍原子所產(chǎn)生的恢復(fù)力，將迫使它回到平衡位置去，再由于原子自身的慣性而形成在平衡位置附近的微小振動，這就是晶格振動。這種振動通過相鄰原子之間的靜電關(guān)聯(lián)，一個牽動一個而向周圍傳播。我們把這種晶格振動的傳播稱做格波(或聲子)?？梢钥闯?自旋波和格波是十分相似的。它們同屬于晶體的元激發(fā)。

在格波中，所有格點(diǎn)的晶格振動都是等價的，它們具有相同的振動振幅和頻率，平均地分?jǐn)傊w系的能量，相鄰格點(diǎn)的振動相差一個固定的相位，顯示出波的性質(zhì)，格波的能量是量子化的，又顯示出粒子的特性，波矢k的取值是間斷的，取決于邊界條件，在自旋波中，上述性質(zhì)均可以找到相應(yīng)的類比。

在自旋體系中，所有格點(diǎn)都是等價的。因此,每個格點(diǎn)的自旋應(yīng)當(dāng)有相同的翻轉(zhuǎn)概率,這個概率為1/N。如果整個體系存在一個翻轉(zhuǎn)的自旋。那么在每個格點(diǎn)找到這個翻轉(zhuǎn)自旋的概率應(yīng)當(dāng)是相等的。這種情況也可等價地看作所有格點(diǎn)的自旋在量子化軸方向的投影都減小了2S/N,而相應(yīng)的體系總磁矩則減小為，因自旋的翻轉(zhuǎn)，增加了體系的交換作用能。這一能量的增量同樣是均勻地分?jǐn)傇隗w系的所有格點(diǎn)上，呈現(xiàn)出波的特點(diǎn)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

韓拯 - 研究員 - 中國科學(xué)院金屬研究所