Từ tính của Vật chất

Vật liệu nghịch từ

Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động quỹ đạo của điện tử quanh hạt nhân do cảm ứng điện từ bởi từ trờng ngoài. Theo định luật Lenz, dòng cảm ứng sản ra từ thông ngợc với biến đổi của từ trờng bên ngoài (xem Hình 1.4). b) Đờng cong từ hoá của vật liệu nghịch từ.

Vật liệu thuận từ

Vật liệu phản sắt từ

Vật liệu feri từ (ferit)

Vật liệu sắt từ

Vật liệu từ giả bền

Vật liệu sắt từ ký sinh

Trạng thái nguyên tử tự do trong gần đúng một điện tử

Sự sắp xếp của điện tử trong trạng thái cơ bản (T = 0 K), tức là trạng thái năng l- ợng thấp nhất, nh sau: Thông thờng khi Z tăng, các điện tử lấp dần vào các mức có năng lợng thấp trớc rồi đến mức có năng lợng cao hơn. Điều này thã ờng xảy ra ở các kim loại chuyển tiếp và kim loại đất hiếm, khiến cho các nguyên tử này có các lớp vỏ trong không đầy tức là không bù trừ mômen từ.

Hiệu ứng tơng quan và tơng tác spin quỹ đạo. Mẫu vectơ nguyên tử

Chú ý rằng khi này, Lz và Sz không còn là tích phân chuyển động và ML, MS mất ý nghĩa (nhng J , S vẫn còn là tích phân chuyển động) và bây giờ J bị lợng tử hoá. Nếu không tính đến tơng tác spin – quỹ đạo thì các toán tử Lˆ2,Lˆz, Sˆ2,Sˆz giao hoán với Hamiltonian và do đó theo cơ học lợng tử các đại lợng tơng ứng là khả đo cùng với năng lợng.

Các qui tắc Hund

Bởi vì MJ không song song với J, mà J là tích phân chuyển động nên MJ không còn là tích phân chuyển động, và không phải là đại lợng khả đo cùng năng lợng và mômen động lợng toàn phần J (xem Hình 1.16). Hệ quả quan trọng nhất của trờng tinh thể lên nguyên tử là sự đóng băng của mômen quỹ đạo (quenching of the orbital angular momentum). Điện tử f có Vtt nằm giữa trờng hợp b) và c) vì vậy tơng tác spin – quỹ đạo và cấu trúc multiplet vẫn bảo toàn.

Các hệ thức nhiệt - từ và calo - từ

Nhiệt động học không thể trực tiếp cho dạng của phơng trình trạng thái của vật và ta phải có các giả thiết bổ xung.

Nhiệt dung của vật liệu từ

Tính toán mômen từ dựa trên vật lý thống kê Từ biểu thức (1.55) ở trên

Bây giờ dùng công thức Wn trên để tính trung bình của thành phần song song với H của mômen từ của hệ nguyên tử.

Thuận từ

• So sánh với thực nghiệm .1 Hơi kim loại kiềm

Các tính toán lý thuyết của sự phụ thuộc của mômen từ của Cr3+ theo H/T với giả thiết mômen quĩ đạo bị đóng băng cũng cho kết quả phù hợp tốt với thực nghiệm (xem Hình 2.6). II.4.4 Các nguyên nhân của sai khác giữa lý thuyết và thực nghiệm. Những sai khác giữa lý thuyết thuận từ với thực nghiệm có thể giải thích bởi các nguyên nhân sau đây:. 1) Tơng tác từ của mômen từ nguyên tử. Hiệu ứng này chỉ tồn tại ở nhiệt độ rất thấp. 2) Tơng tác trao đổi tĩnh điện của các điện tử. Phơng pháp khử từ đoạn nhiệt (adiabatic demagnetization) thờng thực hiện trên các vật liệu muối thuận từ (χ > 0). Phơng pháp khử từ đoạn nhiệt đợc thực hiện. Sơ đồ bố trí thực nghiệm khử từ đoạn nhiệt muối thuận từ đợc trình bày ở Hình 2.9. Muối thuận từ đợc treo cách nhiệt bằng bốn sợi dây đặt trong bình hêli lỏng giữa cuộn dây siêu dẫn tạo từ trờng mạnh. Môi trờng quanh muối có thể là chân không hoặc khí trao đổi hêli. ơng pháp cảm ứng chẳng hạn).

Nghịch từ

Tính chất từ của điện tử tự do trong kim loại

Khí điện tử tự do trong kim loại

Vì kx, ky, kz chỉ nhận những giá trị gián đoạn nên mỗi véctơ sóng cho phép, tức là mỗi một bộ 3 số lợng tử ki tơng ứng với một yếu tố thể tích trong không gian k là (2π/L)3. Nh vậy trong tất cả các vùng nhiệt độ tồn tại đợc vật rắn, khí điện tử nằm ở trạng thái suy biến và sự phân bố điện tử theo năng lợng không khác lắm so với sự phân bố ở 0 K.

Các chất sắt từ

Nếu từ một điểm trên đờng từ hóa cơ bản, ta giảm H về 0 và tăng theo phơng ngợc lại cho đến giá trị bằng giá trị ban đầu (về giá trị tuyệt đối) rồi giảm lại về 0 và tăng về điểm xuất phát, thì ta nhận đợc một đờng cong kín nh trên hình 5.1b gọi là đờng cong từ trễ (hysteresis loop). Loại kích thích này có đặc trng sóng và đợc gọi là sóng spin (spin wave) hay khi đợc lợng tử hoá, các magnon (xem Hình 5.12). Chúng giống các dao động mạng hay các phonon. đổi của hệ tác dụng lên spin có chỉ số p:. Nếu sử dụng biểu thức đối với mômen từ tại p:. Hình 5.12 Sóng spin của một hệ spin một chiều: a) Các spin đợc nhìn theo chiều ngang; b) Các spin đợc nhìn từ trên.

Phản sắt từ và ferit

Khi đó trên đờng cong M(T) sẽ xuất hiện một cực đại ở nhiệt độ cao và ta đợc sự phụ thuộc nhiệt độ dị thờng của từ độ b o hoà nhã trên hình 6.11b (đờng loại P). c) Loại dị thờng có nhiệt độ bù trừ TK (loại N). Khi từ trờng H ≠ 0 và đủ mạnh đến mức có thể so sánh đợc với các trờng phân tử ha và hb, có thể có các biến đổi quan trọng trong trạng thái từ đợc đặc trng bởi sự quay của các véctơ từ độ Ma vàMb và bởi sự vi phạm tính phản song song của chúng.  Trong các trờng hợp trung gian trạng thái cơ bản của hệ ứng với Emin của hệ. Bài toán tổng quát trong trờng hợp này đợc biểu diễn bởi phơng trình sau:. Hình 6.12 Ferit trong từ trờng ngoài:. a) Mômen từ các phân mạng ferit trong từ trờng ngoài. b) Từ độ của ferit trong từ trờng mạnh. Sự phân bố các ion kim loại vào các chỗ A và B phụ thuộc vào các yếu tố nh bán kính các ion kim loại, sự phù hợp cấu hình điện tử của ion kim loại và các ion O2-, năng lợng tĩnh điện của mạng (năng lợng Madelung),.v.v.

Các dạng năng lợng từ và cấu trúc đômen

Nhng nếu tính đến tất cả các đóng góp khác (năng lợng dị hớng từ tinh thể, năng lợng từ đàn hồi, năng lợng trờng khử từ,..) thì trong phần lớn các trờng hợp, trừ với các hạt cực nhỏ hoặc với các màng mỏng, việc tạo thành các cấu trúc đômen (domain structure) tức là các miền từ hoá tự phát vĩ mô mà các véctơ từ độ của các miền này có các định hớng khác nhau sẽ có lợi hơn về năng lợng. Bây giờ, ta h y xét trã ờng hợp đơn đô men (single domain): Bài toán đặt ra là khi nào cấu trúc đơn đômen có lợi về năng lợng? Xét một khối sắt từ đơn trục dạng lập ph-. ơng có cạnh là L. a) Mẫu là đơn đômen. Khi đó năng lợng trong mẫu chỉ là năng lợng tĩnh từ:. không có cực từ. Nhng do có vách đômen σω ≠ 0 và do ta có đômen hớng theo phơng khó nên năng lợng dị hớng khác không σK ≠ 0. Nh vậy đối với trờng hợp này năng lợng trong mẫu gồm năng lợng vách và năng lợng dị hớng:. a- Cấu trúc đơn đômen; b- Cấu trúc đa đômen. a) Tinh thể lập phơng có dị hớng nhỏ. b) Tinh thể lập phơng có dị hớng lớn. c) Tinh thể có dị hớng đơn trục.

Đờng cong từ hoá và hiện tợng từ trễ

Nếu do tác dụng của từ trờng ngoài H vách dịch một đoạn ∂x < OA (Hình 8.2) thì bởi vì tại đấy năng lợng vách lớn hơn tại vị trí x = 0 nên sau khi ngắt từ trờng ngoài, vách đômen lại dịch chuyển về vị trí x = 0, phục hồi lại trạng thái khử ban đầu. Quá trình này là quá trình từ hoá bất thuận nghịch (irreversible magnetization process) và là nguyên nhân gây ra sự trễ từ. a) Mô hình hai đômen đợc phân cách bởi một vách 180o nằm trên mặt phẳng yz. b) và c) Sự phụ thuộc của năng lợng vách γ và gradient ∂γ/∂x của lớp chuyển tiếp giữa các đômen (vách đômen) vào toạ độ.

Tác dụng của từ trờng ngoài lên vật liệu có tính siêu dẫn

Hiệu ứng Meissner

Giữa HC1 và HC2 là trạng thái với hiệu ứng Meissner một phần (incomplete Meissner effect) và gọi là trạng thái xoáy (vortex state) trong đó đờng sức từ có thể thấm vào trong vật siêu dẫn. Giá trị HC2 có thể đạt tới hàng trăm lần lớn hơn HC (tính từ nhiệt động học của quá trình chuyển pha). a) Đờng cong từ hoá của vật liệu siêu dẫn khối loại I với hiệu ứng Meissner hoàn toàn. b) Đờng cong từ hoá của vật liệu siêu dẫn khối loại II.

Nhiệt dung

Đó là một đặc trng (nhng không phải đặc trng vạn năng) của trạng thái siêu dẫn (xem hình 9.7). Hình 9.6 Phân tích các kết quả đo nhiệt dung của Ga:. a) Nhiệt dung của Ga trong trạng thái thờng và siêu dẫn. Trong trạng thái thờng, đóng góp vào nhiệt dung gồm có đóng góp mạng, điện tử và tứ cực hạt nhân. Các điện tử ở trạng thái kích thích trên khe biểu hiện nh những điện tử thờng trong trờng xoay chiều: chúng gây ra điện trở. Trong trờng hợp một chiều chúng là các. điện tử siêu dẫn. Hình 9.7 Vùng năng lợng ở các trạng thái thờng và siêu dẫn:. a) Vùng dẫn trong trạng thái thờng. b) Khe năng lợng ở mức Fermi trong trạng thái siêu dẫn. Hơn nữa, khe năng lợng giảm liên tục về 0 khi nhiệt độ tăng đến nhiệt độ chuyển pha TC (ta nhớ rằng chuyển pha loại I là một chuyển pha kèm ẩn nhiệt và có sự bất liên tục trong khe năng lợng).

Hiệu ứng đồng vị

Các điện tử ở trạng thái kích thích trên khe biểu hiện nh những điện tử thờng trong trờng xoay chiều: chúng gây ra điện trở. Trong trờng hợp một chiều chúng là các. điện tử siêu dẫn. Hình 9.7 Vùng năng lợng ở các trạng thái thờng và siêu dẫn:. a) Vùng dẫn trong trạng thái thờng. b) Khe năng lợng ở mức Fermi trong trạng thái siêu dẫn. Cách đơn giản nhất là xét công làm dịch chuyển một chất siêu dẫn từ ∞ đến một vị trí r trong từ trờng của một nam châm vĩnh cửu (xem Hình 9.8). Hình 9.8 ảnh hởng của từ trờng lên chuyển pha siêu dẫn:. a) Chất siêu dẫn đặt xa trong từ trờng và hiệu ứng Meissner trong vật liệu siêu dẫn là hoàn toàn. b) Khi chất siêu dẫn lại gần và từ trờng ngoài đạt giá trị Ha = Hc, trạng thái thờng có thể tồn tại đồng thời với trạng thái siêu dÉn.

Các tài liệu tham khảo chính