Spontan magnetisering - Spontaneous magnetization

Spontan magnetisering er utseendet til en ordnet spinntilstand ( magnetisering ) ved null pålagt magnetisk felt i et ferromagnetisk eller ferrimagnetisk materiale under et kritisk punkt som kalles Curie-temperaturen eller $T C$ .

Oversikt

Oppvarmet til temperaturer over $T C$ , blir ferromagnetiske materialer paramagnetiske, og deres magnetiske oppførsel domineres av rotasjonsbølger eller magnoner , som er boson- kollektive eksitasjoner med energier i meV-området. Magnetiseringen som skjer under $T C$ er et kjent eksempel på "spontan" brudd på en global symmetri , et fenomen som er beskrevet av Goldstones teorem . Uttrykket "symmetri breaking" refererer til valg av en magnetisering retning av spinnene, som har sfærisk symmetri ovenfor $T C$ , men et foretrukket akse (magnetiser retning) under $T C$ .

Temperaturavhengighet

Til en tilnærming av første ordre er temperaturavhengigheten av spontan magnetisering ved lave temperaturer gitt av Blochs lov:

{\ displaystyle M (T) = M (0) \ left (1- (T / T_ {c} \ right) ^ {3/2}),}

hvor $M (0)$ er den spontane magnetiseringen ved absolutt null . Reduksjonen i spontan magnetisering ved høyere temperaturer er forårsaket av den økende eksitasjonen av spinnbølger . I en partikkelbeskrivelse tilsvarer spinnbølgene magnoner, som er de masseløse Goldstone-bosonene som tilsvarer den ødelagte symmetrien . Dette gjelder nøyaktig for en isotrop magnet.

Magnetisk anisotropi , det vil si eksistensen av en enkel retning langs hvilken øyeblikkene justeres spontant i krystallet, tilsvarer imidlertid "massive" magnoner. Dette er en måte å si at de koster et minimum av energi for å begeistre, derfor er det svært lite sannsynlig at de blir begeistret som . Derfor er magnetiseringen av en anisotropisk magnet vanskeligere å ødelegge ved lav temperatur, og temperaturavhengigheten til magnetiseringen avviker deretter fra Blochs lov. Alle virkelige magneter er til en viss grad anisotrope. ${\ displaystyle T \ rightarrow 0}$

I nærheten av Curie-temperaturen,

{\ displaystyle M (T) \ propto \ left (T_ {c} -T \ right) ^ {\ beta},}

hvor $β$ er en kritisk eksponent som avhenger av universalitetsklassen til den magnetiske interaksjonen. Eksperimentelt er eksponenten $0,34$ for Fe og $0,51$ for Ni .

En empirisk interpolasjon av de to regimene er gitt av

{\ displaystyle {\ frac {M (T)} {M (0)}} = \ left (1- (T / T_ {c} \ right) ^ {\ alpha}) ^ {\ beta},}

det er lett å sjekke to grenser for denne interpolasjonen som følger lover som ligner henholdsvis Bloch-loven, for og den kritiske oppførselen . ${\ displaystyle T \ rightarrow 0}$ ${\ displaystyle T \ rightarrow T_ {C}}$