磁振子

磁振子是晶格中电子自旋结构集体激发的准粒子。在量子力学的等效波图中，磁振子可以被看作是量化的自旋波（英语：spin wave），也就是磁性有序体的动态本征激发。磁振子携带著固定量的能量和晶格动量（英语：Crystal momentum），是自旋1的准粒子，并且服从玻色子的行为。

历史背景

为了解释在铁磁体中自发磁化的减少，磁振子的概念在1930年由费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）引入。在绝对零度温度下，海森堡铁磁体达到最低能量的状态，其中所有原子自旋指向相同的方向，因此磁矩也指向相同的方向。随著温度升高，越来越多的自旋从原先对准的方向中随机偏离，使内部能量增加并减小净磁化强度。如果将零温度下的完全磁化状态视为铁磁体的真空状态（英语：vacuum state），则具有少量不对准自旋的低温状态可以被视为磁振子的气体。每个磁振子使沿著磁化方向的总自旋减小ħ，并使该方向的磁化强度减小γħ，其中γ是旋磁比。这造成了自发磁化与温度相关的布洛赫定律：

${\displaystyle M(T)=M_{0}(1-(T/T_{C})^{3/2})}$

磁振子的定量理论，也就是量化自旋波，由西奥多·霍尔斯坦（Theodore Holstein），亨利·普里马科夫（英语：Henry Primakoff）（Henry Primakoff）和弗里曼·戴森（Freeman Dyson）做了进一步开发。使用正则量子化方法，他们发现磁振子的表现像有微弱相互作用的准粒子并遵守玻色–爱因斯坦统计，就像玻色子一样。 相关的综合探讨可以在查尔斯·基泰尔（Charles Kittel）的基础固态物理学教科书或Van Kranendonk和约翰·凡扶累克（J. H. VAN VLECK）的早期综述文章^[1]中找到。

在1957年伯特伦·布罗克豪斯通过在铁氧体中的非弹性中子散射（英语：neutron scattering）直接测得磁振子。 从那时起，在铁磁体，亚铁磁体和反铁磁体中也都检测到了磁振子。

磁振子遵守玻色–爱因斯坦统计的事实在20世纪60年代到80年代期间进行的光散射实验得到证实。古典理论预测斯托克斯线和反斯托克斯线的强度相等。然而，散射实验结果显示，如果磁能能量相近于或小于热能，或 ${\displaystyle \hbar \omega <k_{B}T}$，则斯托克斯线变得比反斯托克斯线更强烈，和从玻色–爱因斯坦统计中计算出来的结果吻合。1999年东京工业大学的二国彻郎等人在低温的反铁磁物质中证明了磁振子的玻色–爱因斯坦凝聚^[2]，而2006年3月明斯特大学应用物理研究所的S. O. Demokritov等人则是在室温的铁氧体中证明了磁振子的玻色–爱因斯坦凝聚^[3] 。2013年8月内藤忠一等人报导了通过表面电浆共振可产生自旋电流^[4]。

特性

磁振子的行为可以透过各种散射技术来研究。 磁振子的行为就如同没有化学势的玻色气体。微波泵浦可用来激发自旋波并产生额外的非平衡磁振子，非平衡磁振子热化后会形成声子。磁振子在临界密度下会形成冷凝物，并发射单色的微波。这种微波源的状态可以由改变外加磁场强度来调整。

参阅

• 磁力学（英语：Magnonics）
• 荷斯坦-普里马科夫转换（英语：Holstein-Primakoff transformation）
• 自旋泵浦效应（英语：Spin pumping）
• 自旋霍尔效应（英语：Spin Hall effect）

注释

1. Spin Waves. Rev. Mod. Phys. 1 January 1958, 30: 1––23. doi:10.1103/RevModPhys.30.1.
2. Bose-Einstein Condensation of Dilute Magnons in TlCuCl₃. Phys. Rev. Lett. 19 June 2000, 84 (25): 5868––5871. doi:10.1103/PhysRevLett.84.5868.
3. Bose–Einstein condensation of quasi-equilibrium magnons at room temperature under pumping. Nature. 28 September 2006, 443: 430–433. Bibcode:2006Natur.443..430D. PMID 17006509. doi:10.1038/nature05117.
4. Uchida, K.; Adachi, H.; Kikuchi, D.; Ito, S.; Qiu, Z.; Maekawa, S.; Saitoh, E. Generation of spin currents by surface plasmon resonance. Nature Communications. January 8, 2015, 6: 5910 [2017-01-13]. Bibcode:2015NatCo...6E5910U. PMC 4354158 . PMID 25569821. arXiv:1308.3532 . doi:10.1038/ncomms6910. （原始内容存档于2016-08-20）.

参考文献

• C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 7th edition (Wiley, 1995). ISBN 0-471-11181-3.
• Bloch, F. Zur Theorie des Ferromagnetismus. Z. Phys. 1930, 61: 206–219. Bibcode:1930ZPhy...61..206B. doi:10.1007/bf01339661.
• Holstein, T.; Primakoff, H. Field Dependence of the Intrinsic Domain Magnetization of a Ferromagnet. Phys. Rev. 1940, 58: 1098–1113. Bibcode:1940PhRv...58.1098H. doi:10.1103/PhysRev.58.1098.
• Dyson, F. J. General Theory of Spin-Wave Interactions. Phys. Rev. 1956, 102: 1217–1230. Bibcode:1956PhRv..102.1217D. doi:10.1103/PhysRev.102.1217.
• Brockhouse, B. N. Scattering of Neutrons by Spin Waves in Magnetite. Phys. Rev. 1957, 106: 859–864. Bibcode:1957PhRv..106..859B. doi:10.1103/PhysRev.106.859.
• Kranendonk, J. Van; Vleck, J. H. Van. Spin Waves. Rev. Mod. Phys. 1958, 30: 1–23. Bibcode:1958RvMP...30....1V. doi:10.1103/RevModPhys.30.1.
• Nikuni, T.; Oshikawa, M.; Oosawa, A.; Tanaka, H. Bose-Einstein Condensation of Dilute Magnons in TlCuCl 3. Phys. Rev. Lett. 1999, 84: 5868–5871. Bibcode:2000PhRvL..84.5868N. PMID 10991075. arXiv:cond-mat/9908118 . doi:10.1103/PhysRevLett.84.5868.
• Demokritov, S. O.; Demidov, V. E.; Dzyapko, O.; Melkov, G. A.; Serga, A. A.; Hillebrands, B.; Slavin, A. N. Bose-Einstein condensation of quasi-equilibrium magnons at room temperature under pumping. Nature. 2006, 443: 430–3. Bibcode:2006Natur.443..430D. PMID 17006509. doi:10.1038/nature05117.
• P. Schewe and B. Stein, Physics News Update 746, 2 (2005). online （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Kimel, A.V.; Kirilyuk, A.; Rasing, T.H. Femtosecond opto-magnetism: ultrafast laser manipulation of magnetic materials. Laser & Photon Rev. 2007, 1 (3): 275–287 [2017-01-13]. doi:10.1002/lpor.200710022. （原始内容存档于2013-01-05）.