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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 物理 » 凝聚态物理 » 分析晶胞磁矩时为何只考虑自旋角动量不考虑轨道角动量？
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Alpha1024

新虫 (正式写手)

[求助] 分析晶胞磁矩时为何只考虑自旋角动量不考虑轨道角动量？ 已有2人参与

在分析磁矩时只看原子是否有自旋相同的电子以及其交互作用，而不研究轨道角动量带来的磁矩呢
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1楼 2022-03-20 10:54:45
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rlafite

木虫 (正式写手)

【答案】应助回帖

近邻原子或离子中核库仑场和其他电子的平均势场， 它与晶体的对称性有密切的关系，不同的对称性就有不同类型的晶场。
在不同晶场作用下，电子轨道能级具有不同的能量。
磁性晶体中晶场效应：
对磁性离子轨道的直接作用，引起能级分裂，导致轨道角动量的取向处于被“冻结”状态。
在晶场的作用下3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。 此现象称为轨道角动量淬灭。
轨道角动量冻结的物理机制：
过渡金属的3d电子轨道暴露在外面，受晶场的控制。晶场的值为10^2-10^4(cm^-1)大于自旋-轨道耦合能10^2(cm^-1).
晶场对电子轨道的作用是库仑相互作用，因而对电子自旋不起作用,随着3d电子的轨道能级在晶场作用下劈裂，轨道角动量消失。
因此在磁性材料中3d电子的磁矩一般仅决定自旋磁矩。
例如在铁氧体中：
Fe3+ 5μB (n3d = 8-3 = 5)
Fe2+ 4μB (n3d = 8-2 = 6)
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4楼2022-04-02 11:20:50
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wangyikeco

木虫 (正式写手)

newbie

【答案】应助回帖

感谢参与，应助指数 +1
不是不考虑轨道角动量，而是由于轨道淬灭，轨道角动量磁贡献通常很小。
具有 d 电子的离子,轨道角动量淬灭的主要原因是周期晶格势的作用,也就是说,不能考虑孤立的原子的磁矩,要考虑整个 d 能带中的电子在磁场中的运动及相关的非平衡统计分布

在信息存储研究领域，低能耗、高密度和原子尺度的量子调控是未来信息存储器件的发展方向。在这方面，表面嵌入式的分子磁体有着巨大的应用潜力，其中大的磁各向异性能（Magnetic Anisotropy Energy，MAE）近年来备受关注。大的MAE将产生一个势阱来保护体系的磁化长时间稳定在某个方向（易磁化方向），使磁化免受热扰动的破坏，进而有助于在原子尺度上实现信息的稳定存储。
    获得大的MAE主要取决于三个因素：强烈的自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）、特殊的晶体场和大的轨道磁矩。众所周知，在通常情况下，晶体场将减弱甚至会淬灭轨道磁矩。因此，寻找合适的配位场（例如表面和衬底）来实现大的轨道磁矩以及大的MAE，将是一个不小的挑战。最近，Rau等人通过一系列实验发现（Science 344, 988 （2014）），吸附在MgO (001)表面的单个Co原子具有巨大的MAE，达到了3d过渡金属原子的极限。
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2楼2022-03-23 00:38:35
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wangyikeco

木虫 (正式写手)

newbie

【答案】应助回帖

目前，大多数研究关注于具有强自旋轨道耦合的重金属体系，流过重金属中的电流通过自旋霍尔效应产生自旋流，自旋流与铁磁磁矩交换角动量进而诱导自旋轨道力矩。然而，不具备强自旋轨道耦合的轻金属体系一般不能观测到自旋霍尔效应，因此轻金属材料中很难产生强的自旋轨道力矩效应。在材料中，除了自旋流外，电子轨道流也可以传递角动量。比较而言，一方面，电子轨道流的产生不依赖材料体系中的自旋轨道耦合效应；另一方面，虽然在基态下轨道流会快速淬灭，但是在电场的作用下轨道角动量的积累依然可能存在，这表明轨道流在材料体系中会更加本征；此外，理论研究表明，在强自旋轨道耦合体系中，轨道流可以有效地转换为自旋流，因此，实验上如何利用轨道流进一步提高自旋流的转换效率成为研究的关键。
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3楼2022-03-23 05:41:53
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