Magnon - Magnon

Um magnon é uma quasipartícula , uma excitação coletiva da estrutura de spin dos elétrons em uma rede cristalina . Na imagem de onda equivalente da mecânica quântica, um magnon pode ser visto como uma onda de spin quantizada . Os magnons carregam uma quantidade fixa de energia e momento de rede e são spin-1, indicando que obedecem ao comportamento do bóson .

Breve história

O conceito de magnon foi introduzido em 1930 por Felix Bloch para explicar a redução da magnetização espontânea em um ferromagneto . Na temperatura de zero absoluto (0 K), um ferromagneto de Heisenberg atinge o estado de menor energia (o chamado estado fundamental ), no qual todos os giros atômicos (e, portanto, os momentos magnéticos ) apontam na mesma direção. Conforme a temperatura aumenta, mais e mais spins se desviam aleatoriamente do alinhamento, aumentando a energia interna e reduzindo a magnetização líquida. Se alguém vê o estado perfeitamente magnetizado na temperatura zero como o estado de vácuo do ferromagneto, o estado de baixa temperatura com alguns spins desalinhados pode ser visto como um gás de quase-partículas, neste caso magnons. Cada magnon reduz o spin total ao longo da direção de magnetização em uma unidade de (constante de Planck reduzida) e a magnetização em , onde é a razão giromagnética . Isso leva à lei de Bloch para a dependência da magnetização espontânea da temperatura: ${\ displaystyle \ hbar}$ ${\ displaystyle \ gamma \ hbar}$ ${\ displaystyle \ gamma}$

${\ displaystyle M (T) = M_ {0} \ left [1- \ left ({\ frac {T} {T_ {c}}} \ right) ^ {3/2} \ right]}$

onde é a temperatura crítica (dependente do material) e é a magnitude da magnetização espontânea. ${\ displaystyle T_ {c}}$ ${\ displaystyle M_ {0}}$

A teoria quantitativa dos magnons, ondas de spin quantizadas , foi desenvolvida posteriormente por Theodore Holstein e Henry Primakoff e, em seguida, por Freeman Dyson . Usando o segundo formalismo de quantização, eles mostraram que os magnons se comportam como quasipartículas de interação fraca obedecendo às estatísticas de Bose-Einstein ( bósons ). Um tratamento abrangente pode ser encontrado no livro de estado sólido de Charles Kittel ou no artigo de revisão inicial de Van Kranendonk e Van Vleck.

A detecção experimental direta de magnons por espalhamento inelástico de nêutrons em ferrita foi realizada em 1957 por Bertram Brockhouse . Desde então, magnons foram detectados em ferromagnetos , ferriímãs e antiferromagnetos .

O fato de os magnons obedecerem às estatísticas de Bose-Einstein foi confirmado pelos experimentos de espalhamento de luz feitos durante os anos 1960 até os anos 1980. A teoria clássica prevê intensidade igual das linhas de Stokes e anti-Stokes . No entanto, o espalhamento mostrou que se a energia do magnon é comparável ou menor do que a energia térmica, ou , então a linha de Stokes se torna mais intensa, como segue as estatísticas de Bose-Einstein. A condensação de Bose-Einstein de magnons foi comprovada em um antiferromagneto em baixas temperaturas por Nikuni et al. e em um ferrimagnet por Demokritov et al. à temperatura ambiente. Recentemente, Uchida et al. relataram a geração de correntes de spin por ressonância de plasmão de superfície. ${\ displaystyle \ hbar \ omega <k_ {B} T}$

Paramagnons

Paramagnons são magnons em materiais magnéticos que estão em sua fase desordenada ( paramagnética ) de alta temperatura . Para temperaturas baixas o suficiente, os momentos magnéticos atômicos locais (spins) em compostos ferromagnéticos ou anti-ferromagnéticos serão ordenados. Pequenas oscilações dos momentos em torno de sua direção natural se propagam como ondas (magnons). Em temperaturas mais altas do que a temperatura crítica , a ordem de longo alcance é perdida, mas os spins ainda se alinharão localmente em patches, permitindo que as ondas de spin se propaguem por distâncias curtas. Essas ondas são conhecidas como paramagnon e sofrem transporte difusivo (em vez de balístico ou de longo alcance).

O conceito foi proposto pela primeira vez com base nas flutuações de spin em metais de transição , por Berk e Schrieffer e Doniach e Engelsberg, para explicar a repulsão adicional entre elétrons em alguns metais, o que reduz a temperatura crítica para a supercondutividade .

Propriedades

O comportamento do Magnon pode ser estudado com uma variedade de técnicas de espalhamento. Os magnons se comportam como um gás de Bose sem potencial químico. O bombeamento de microondas pode ser usado para excitar ondas de spin e criar magnons desequilibrados adicionais que se termalizam em fônons . Em uma densidade crítica, um condensado é formado, que aparece como a emissão de microondas monocromáticas. Esta fonte de microondas pode ser sintonizada com um campo magnético aplicado.

Veja também

Referências

Leitura adicional

P. Schewe; B. Stein, Physics (21 de setembro de 2005). "Inside Science Research News Update 746 , # 2" . Arquivado do original em 10 de abril de 2013.
Kimel, AV; Kirilyuk, A .; Rasing, TH (2007). "Optomagnetismo de femtosegundo: manipulação a laser ultrarrápida de materiais magnéticos" . Laser & Photon Rev . 1 (3): 275–287. Bibcode : 2007LPRv .... 1..275K . doi : 10.1002 / lpor.200710022 . Arquivado do original em 05/01/2013.

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