A magnon es una cuasipartícula , una excitación colectiva de los electrones ' giro estructura en una red cristalina . En la imagen de onda equivalente de la mecánica cuántica, un magnón puede verse como una onda de espín cuantificada . Los magnones llevan una cantidad fija de energía y momento de celosía , y son de espín-1, lo que indica que obedecen al comportamiento de los bosones .
Breve historia
El concepto de magnón fue introducido en 1930 por Felix Bloch [1] para explicar la reducción de la magnetización espontánea en un ferromaimán . A la temperatura del cero absoluto (0 K), un ferromagnético de Heisenberg alcanza el estado de menor energía (el llamado estado fundamental ), en el que todos los espines atómicos (y, por tanto, los momentos magnéticos ) apuntan en la misma dirección. A medida que aumenta la temperatura, más y más espines se desvían aleatoriamente de la alineación, aumentando la energía interna y reduciendo la magnetización neta. Si uno ve el estado perfectamente magnetizado a temperatura cero como el estado de vacío del ferromaimán, el estado de baja temperatura con algunos espines desalineados puede verse como un gas de cuasipartículas, en este caso magnones. Cada magnón reduce el giro total a lo largo de la dirección de magnetización en una unidad de (reducción de la constante de Planck) y la magnetización por , dónde es la relación giromagnética . Esto conduce a la ley de Bloch para la dependencia de la temperatura de la magnetización espontánea:
dónde es la temperatura crítica (dependiente del material), y es la magnitud de la magnetización espontánea.
La teoría cuantitativa de magnones, ondas de espín cuantificadas , fue desarrollada por Theodore Holstein y Henry Primakoff , [2] y luego por Freeman Dyson . [3] Utilizando el segundo formalismo de cuantificación , demostraron que los magnones se comportan como cuasipartículas de interacción débil que obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein ( bosones ). Se puede encontrar un tratamiento integral en el libro de texto de estado sólido de Charles Kittel [4] o en el artículo de revisión inicial de Van Kranendonk y Van Vleck. [5]
La detección experimental directa de magnones por dispersión de neutrones inelásticos en ferrita se logró en 1957 por Bertram Brockhouse . [6] Desde entonces, se han detectado magnones en ferromagnetos , ferrimagnetos y antiferromagnetos .
El hecho de que los magnones obedezcan a las estadísticas de Bose-Einstein fue confirmado por los experimentos de dispersión de luz realizados durante los años sesenta hasta los ochenta. La teoría clásica predice igual intensidad de líneas de Stokes y anti-Stokes . Sin embargo, la dispersión mostró que si la energía magnon es comparable o menor que la energía térmica, o, entonces la línea de Stokes se vuelve más intensa, como se desprende de las estadísticas de Bose-Einstein. La condensación de Bose-Einstein de magnones fue probada en un antiferromagnet a bajas temperaturas por Nikuni et al. [7] y en un ferrimagnet de Demokritov et al. a temperatura ambiente. [8] Recientemente Uchida et al. informó la generación de corrientes de espín por resonancia de plasmón de superficie. [9]
Paramagnons
Los paramagnones son magnones en materiales magnéticos que se encuentran en su fase desordenada ( paramagnética ) de alta temperatura . Para temperaturas suficientemente bajas, los momentos magnéticos atómicos locales (espines) en compuestos ferromagnéticos o anti-ferromagnéticos se ordenarán. Las pequeñas oscilaciones de los momentos alrededor de su dirección natural se propagarán como ondas (magnones). A temperaturas más altas que la temperatura crítica , se pierde el orden de largo alcance, pero los giros aún se alinearán localmente en parches, lo que permitirá que las ondas de giro se propaguen a distancias cortas. Estas ondas se conocen como paramagnon y se someten a un transporte difusivo (en lugar de balístico o de largo alcance).
El concepto fue propuesto por primera vez basándose en las fluctuaciones de espín en metales de transición , por Berk y Schrieffer [10] y Doniach y Engelsberg, [11] para explicar la repulsión adicional entre electrones en algunos metales, lo que reduce la temperatura crítica de superconductividad .
Propiedades
El comportamiento de Magnon se puede estudiar con una variedad de técnicas de dispersión. Los magnones se comportan como un gas Bose sin potencial químico. El bombeo de microondas se puede utilizar para excitar ondas de giro y crear magnones de desequilibrio adicionales que se termalizan en fonones . A una densidad crítica, se forma un condensado, que aparece como la emisión de microondas monocromáticas. Esta fuente de microondas se puede sintonizar con un campo magnético aplicado.
Ver también
- Magnonics
- Transformación de Holstein-Primakoff
- Magnon de superficie polariton
Referencias
- ^ Bloch, F. (1930). "Zur Theorie des Ferromagnetismus". Zeitschrift für Physik (en alemán). 61 (3–4): 206–219. Código Bibliográfico : 1930ZPhy ... 61..206B . doi : 10.1007 / BF01339661 . ISSN 0044-3328 . S2CID 120459635 .
- ^ Holstein, T .; Primakoff, H. (1940). "Dependencia de campo de la magnetización del dominio intrínseco de un ferromagnet". Revisión física . 58 (12): 1098-1113. Código Bibliográfico : 1940PhRv ... 58.1098H . doi : 10.1103 / PhysRev.58.1098 . ISSN 0031-899X .
- ^ Dyson, Freeman J. (1956). "Teoría general de las interacciones Spin-Wave". Revisión física . 102 (5): 1217-1230. Código Bibliográfico : 1956PhRv..102.1217D . doi : 10.1103 / PhysRev.102.1217 . ISSN 0031-899X .
- ^ C. Kittel, Introducción a la física del estado sólido , séptima edición (Wiley, 1995). ISBN 0-471-11181-3
- ^ Kranendonk, J. Van; Vleck, JH Van (1958). "Spin Waves". Rev. Mod. Phys . 30 (1): 1–23. Código Bibliográfico : 1958RvMP ... 30 .... 1V . doi : 10.1103 / RevModPhys.30.1 .
- ^ Brockhouse, BN (1957). "Dispersión de neutrones por ondas de giro en magnetita". Phys. Rev . 106 (5): 859–864. Código Bibliográfico : 1957PhRv..106..859B . doi : 10.1103 / PhysRev.106.859 .
- ^ Nikuni, T .; Oshikawa, M .; Oosawa, A .; Tanaka, H. (1999). "Condensación de Bose-Einstein de magnones diluidos en TlCuCl 3 ". Phys. Rev. Lett . 84 (25): 5868–5871. arXiv : cond-mat / 9908118 . Código Bibliográfico : 2000PhRvL..84.5868N . doi : 10.1103 / PhysRevLett.84.5868 . PMID 10991075 . S2CID 1500529 .
- ^ Demokritov, SO; Demidov, VE; Dzyapko, O .; Melkov, GA; Serga, AA; Hillebrands, B .; Slavin, AN (28 de septiembre de 2006). "Condensación de Bose-Einstein de magnones de cuasi-equilibrio a temperatura ambiente bajo bombeo". Naturaleza . 443 (7110): 430–433. Código Bibliográfico : 2006Natur.443..430D . doi : 10.1038 / nature05117 . PMID 17006509 . S2CID 4421089 .
- ^ Uchida, K .; Adachi, H .; Kikuchi, D .; Ito, S .; Qiu, Z .; Maekawa, S .; Saitoh, E. (8 de enero de 2015). "Generación de corrientes de espín por resonancia de plasmón superficial" . Comunicaciones de la naturaleza . 6 : 5910. arXiv : 1308.3532 . Código Bibliográfico : 2015NatCo ... 6.5910U . doi : 10.1038 / ncomms6910 . PMC 4354158 . PMID 25569821 .
- ^ Berk, NF (1 de enero de 1966). "Efecto de las correlaciones de espín ferromagnético sobre la superconductividad". Cartas de revisión física . 17 (8): 433–435. Código Bibliográfico : 1966PhRvL..17..433B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.17.433 .
- ^ Doniach, S. (1 de enero de 1966). "Propiedades a baja temperatura de líquidos Fermi casi ferromagnéticos". Cartas de revisión física . 17 (14): 750–753. Código Bibliográfico : 1966PhRvL..17..750D . doi : 10.1103 / PhysRevLett.17.750 .
Otras lecturas
- P. Schewe; B. Stein, Physics (21 de septiembre de 2005). "Inside Science Research News Update 746 , # 2" . Archivado desde el original el 10 de abril de 2013.
- Kimel, AV; Kirilyuk, A .; Rasing, TH (2007). "Opto-magnetismo de femtosegundos: manipulación láser ultrarrápida de materiales magnéticos" . Láser de fotones y Rev . 1 (3): 275–287. Código Bibliográfico : 2007LPRv .... 1..275K . doi : 10.1002 / lpor.200710022 . Archivado desde el original el 5 de enero de 2013.