Ein Magnon ist ein Quasiteilchen , eine kollektive Anregung der Spinstruktur eines Elektrons in einem Kristallgitter . Im äquivalenten Wellenbild der Quantenmechanik kann ein Magnon als quantisierte Spinwelle betrachtet werden . Magnonen tragen eine feste Energie und einen festen Gitterimpuls und besitzen Spin-1, was bedeutet, dass sie sich wie Bosonen verhalten.

Geschichte

Felix Bloch führte 1930 das Konzept des Magnons ein [ 1 ] , um die Reduktion der Spontanmagnetisierung in einem Ferromagneten zu erklären . Bei absolutem Nullpunkt (0 K) erreicht ein Heisenberg-Ferromagnet den Zustand niedrigster Energie (den sogenannten Grundzustand ), in dem alle Atomspins (und damit alle magnetischen Momente ) in dieselbe Richtung zeigen. Mit steigender Temperatur weichen immer mehr Spins zufällig von dieser Ausrichtung ab, wodurch die innere Energie zunimmt und die Nettomagnetisierung abnimmt. Betrachtet man den perfekt magnetisierten Zustand bei Null Kelvin als Vakuumzustand des Ferromagneten, so zeigt sich der Tieftemperaturzustand mit einigen fehlausgerichteten Spins als ein Gas von Quasiteilchen, in diesem Fall Magnonen. Jedes Magnon reduziert den Gesamtspin in Richtung der Magnetisierung um eine Einheit der reduzierten Planck-Konstante (Δg) und die Magnetisierung um Δg/Δ , wobei Δg das gyromagnetische Verhältnis ist . Daraus ergibt sich das Blochsche Gesetz für die Temperaturabhängigkeit der Spontanmagnetisierung:

Hierbei ist die (materialabhängige) kritische Temperatur und die Größe der spontanen Magnetisierung.

Theodore Holstein und Henry Primakoff [ 2 ] sowie später Freeman Dyson entwickelten die quantitative Theorie der Magnonen, der quantisierten Spinwellen , weiter [ 3 ] . Mithilfe des Formalismus der zweiten Quantisierung zeigten sie, dass sich Magnonen wie schwach wechselwirkende Quasiteilchen verhalten, die der Bose-Einstein-Statistik für Bosonen gehorchen [ 4 ] [ 5 ] .

Bertram Brockhouse gelang 1957 der direkte experimentelle Nachweis von Magnonen durch inelastische Neutronenstreuung in Ferrit. [ 6 ] Später wurden Magnonen auch in Ferromagneten , Ferrimagneten und Antiferromagneten nachgewiesen .

Die Tatsache, dass Magnonen der Bose-Einstein-Statistik gehorchen, wurde durch Lichtstreuexperimente in den 1960er- bis 1980er-Jahren bestätigt. Die klassische Theorie sagt gleiche Intensitäten für Stokes- und Anti-Stokes-Linien voraus . Die Streuexperimente zeigten jedoch, dass die Stokes-Linie intensiver wird, wenn die Magnonenenergie vergleichbar mit oder kleiner als die thermische Energie ist, was sich aus der Bose-Einstein-Statistik ergibt. Die Bose-Einstein-Kondensation von Magnonen wurde in einem Antiferromagneten bei tiefen Temperaturen von Nikuni et al . [ 7 ] und in einem Ferrimagneten von Demokritov et al. bei Raumtemperatur nachgewiesen. [ 8 ] Im Jahr 2015 berichteten Uchida et al. über die Erzeugung von Spinströmen durch Oberflächenplasmonenresonanz. [ 9 ]

Paramagnonen

Paramagnonen sind Magnonen in magnetischen Materialien, die sich in ihrer ungeordneten ( paramagnetischen ) Hochtemperaturphase befinden. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen ordnen sich die lokalen atomaren magnetischen Momente (Spins) in ferromagnetischen oder antiferromagnetischen Verbindungen. Kleine Schwingungen der Momente um ihre natürliche Richtung breiten sich als Wellen (Magnonen) aus. Oberhalb der kritischen Temperatur geht die Fernordnung verloren, aber die Spins richten sich lokal (in Bereichen) aus, wodurch sich Spinwellen über kurze Distanzen ausbreiten können. Diese Wellen werden als Paramagnonen bezeichnet und erfahren einen diffusiven (statt ballistischen oder Ferntransport).

Das Konzept wurde auf der Grundlage der Spinfluktuationen in Übergangsmetallen von Berk und Schrieffer [ 10 ] sowie von Doniach und Engelsberg [ 11 ] vorgeschlagen , um die zusätzliche Abstoßung zwischen Elektronen in einigen Metallen zu erklären, welche die kritische Temperatur für die Supraleitung reduziert .

Eigenschaften

Das Verhalten von Magnonen lässt sich mit verschiedenen Streutechniken untersuchen. Magnonen verhalten sich wie ein Bose-Gas ohne chemisches Potenzial. Durch Mikrowellenanregung können Spinwellen angeregt und zusätzliche Nichtgleichgewichts-Magnonen erzeugt werden, die in Phononen thermalisieren . Bei einer kritischen Dichte bildet sich ein Kondensat, das sich als Emission monochromatischer Mikrowellen äußert. Diese Mikrowellenquelle kann durch ein angelegtes Magnetfeld gesteuert werden.

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Bloch, F. (1930). „Zur Theorie des Ferromagnetismus“. Zeitschrift für Physik (auf Deutsch). 61 ( 3– 4): 206– 219. Bibcode : 1930ZPhy...61..206B . doi : 10.1007/BF01339661 . ISSN  0044-3328 . S2CID  120459635 .
  2. ^ Holstein, T.; Primakoff, H. (1940). „Feldabhängigkeit der intrinsischen Domänenmagnetisierung eines Ferromagneten“. Physical Review . 58 (12): 1098–1113 . Bibcode : 1940PhRv...58.1098H . doi : 10.1103/PhysRev.58.1098 . ISSN 0031-899X . 
  3. ^ Dyson, Freeman J. (1956). „Allgemeine Theorie der Spin-Wellen-Wechselwirkungen“. Physical Review . 102 (5): 1217–1230 . Bibcode : 1956PhRv..102.1217D . doi : 10.1103/PhysRev.102.1217 . ISSN 0031-899X . 
  4. ^ C. Kittel, Einführung in die Festkörperphysik , 7. Auflage (Wiley, 1995). ISBN 0-471-11181-3
  5. ^ Kranendonk, J. Van; Vleck, JH Van (1958). „Spinwellen“. Rev. Mod. Phys . 30 (1): 1– 23. Bibcode : 1958RvMP...30....1V . doi : 10.1103/RevModPhys.30.1 .
  6. ^ Brockhouse, BN (1957). „Streuung von Neutronen an Spinwellen in Magnetit“. Phys. Rev. 106 ( 5): 859–864 . Bibcode : 1957PhRv..106..859B . doi : 10.1103/PhysRev.106.859 .
  7. Nikuni , T.; Oshikawa, M.; Oosawa, A.; Tanaka, H. ( 1999). „Bose-Einstein-Kondensation verdünnter Magnonen in TlCuCl₃ “ . Phys . Rev. Lett . 84 (25): 5868–5871 . arXiv : cond-mat/9908118 . Bibcode : 2000PhRvL..84.5868N . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.5868 . PMID 10991075. S2CID 1500529 .  
  8. Demokritov , SO; Demidov, VE; Dzyapko, O.; Melkov, GA; Serga, AA; Hillebrands, B.; Slavin, AN (28. September 2006). „Bose-Einstein-Kondensation von Quasi-Gleichgewichts-Magnonen bei Raumtemperatur unter Pumpanregung“. Nature . 443 (7110): 430–433 . Bibcode : 2006Natur.443..430D . doi : 10.1038 / nature05117 . PMID 17006509. S2CID 4421089 .  
  9. ^ Uchida, K.; Adachi, H.; Kikuchi, D.; Ito, S.; Qiu, Z.; Maekawa, S.; Saitoh, E. (8. Januar 2015). „Erzeugung von Spinströmen durch Oberflächenplasmonenresonanz“ . Nature Communications . 6 : 5910. arXiv : 1308.3532 . Bibcode : 2015NatCo...6.5910U . doi : 10.1038/ncomms6910 . PMC 4354158. PMID 25569821 .  
  10. ^ Berk, NF (1966-01-01). „Einfluss ferromagnetischer Spinkorrelationen auf die Supraleitung“. Physical Review Letters . 17 (8): 433–435 . Bibcode : 1966PhRvL..17..433B . doi : 10.1103/PhysRevLett.17.433 .
  11. ^ Doniach, S. (1966-01-01). „Tieftemperatureigenschaften nahezu ferromagnetischer Fermi-Flüssigkeiten“. Physical Review Letters . 17 (14): 750–753 . Bibcode : 1966PhRvL..17..750D . doi : 10.1103/PhysRevLett.17.750 .

Weiterführende Literatur