磁性物理学课程简介

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1、什么是磁性？物质在非均匀磁场中受到作用。磁性是物质的基本属性之一。磁性的应用，特别在近一百多年中，已经深入到人类生活、生产等各个方面。在科学研究中，磁性不仅作为内容，也作为手段。自旋电子学是二十一世纪初最为科技界关注和最有前途的研究方向之一。磁性物理课主要介绍凝聚态物质各种磁性的形成机理及宏观表现，磁有序的各种理论，外磁场作用下磁性物质内部的相互作用过程以及磁性应用的相关问题。该课程为本科生应用物理专业固体物理课之后的选修专业课，授课52学时，计3个学分。磁性物理学磁性物理学课程简介课程简介 几乎遍及人类生产、几乎遍及人类生产、生活的各个领域。生活的各个领域。磁性的应用磁性的应用扬声器；小型电

2、机；磁带；磁头；磁密封圈；天线；偏转磁芯等。见章综书见章综书P154磁性在家用电器中的应用磁性在家用电器中的应用现代汽车需要使用几十现代汽车需要使用几十个小型永磁电动机和其个小型永磁电动机和其它磁控机械元件。它磁控机械元件。The number of magnets in the family car has increased from one in the 1950s to over thirty today. http:/www.tcd.ie/Physics/Magnetism/Guide/modmags.php宇航员头盔的密封是宇航员头盔的密封是纳米磁性材料纳米磁性材料的的最早重要应用

3、之一最早重要应用之一-磁性液体磁性液体 磁冰箱很可能在某一天取代您厨房中的传统电冰箱磁冰箱很可能在某一天取代您厨房中的传统电冰箱 June 23, 2004June 23, 2004 没有磁的应用，现代文明是不可想像的没有磁的应用，现代文明是不可想像的。 了解物质磁性，已经成为我们从事现代生产，了解物质磁性，已经成为我们从事现代生产，熟悉现代生活的必要准备，更是我们可以选择的熟悉现代生活的必要准备，更是我们可以选择的研究方向。研究方向。 Modern Magnetic Materials: Principles and Applications OHandley 2000年在他的书中写道：美国

4、来自硅谷的磁性元件产值，已经大于在那里制造的半导体元件产值，这是磁性元件在信息工业中地位迅速提高的最好说明。Global market for magnetic materials the total in 1999 was about 30b$.全球市场：全球市场：300亿美元亿美元20世纪世纪8090年代是磁性材料发展史上辉年代是磁性材料发展史上辉煌的一页：煌的一页：(3d-4f)稀土磁性材料；非晶，稀土磁性材料；非晶，纳米晶磁性材料；磁电子材料等横空出世，纳米晶磁性材料；磁电子材料等横空出世，开创了磁性材料新纪元。开创了磁性材料新纪元。1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagaw

5、a(佐川) 1984年德国的H.Gleiter教授等合成了纳米晶体Pd, Fe等。1988年由非晶态FeSiB退火通过掺杂Cu和Nb控制晶粒成为新型的纳米晶软磁材料 1986年 Grunberg 发现Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生反铁磁耦合。 1988年 Baibich、Fert等发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应。 1994年 Jin等在LaCaMnO3中发现了庞磁电阻（CMR）效应。 1995年 T.Miyazaki发现隧道磁电阻（TMR）效应1993年 理论表明纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁 Ms 高，硬磁 Hc 高的优点获得磁能级比现有最好NdFeB高一倍的新

6、型纳米硬磁材料。20 世纪世纪8090年代磁学的重大发展年代磁学的重大发展 纳米软磁以最小的损耗实现高磁通量的转换，大大节约了能源。 NdFeB永磁材料比传统的AlNiCo永磁材料存储能量提高20倍以上，使用该材料制成的器件重量只有用传统材料同样功率器件的二十分之一。 磁记录密度的提高，磁头灵敏度的提高，大大减小了磁硬盘的体积，直接推动了计算机体积的减小，计算速度的提高以及容量的加大。磁性材料的进步对社会生产的巨大推动磁性材料的进步对社会生产的巨大推动第一，二代稀土永磁 (19671975)第三代稀土永磁 (1984)第一代SmCo5 (60年代）；第二代Sm2Co17 (70年代）；第三代

7、Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？第四代稀土永磁？ IBM91年研发，94年推出AMR读出头。在1998年推出采用自旋阀结构的GMR读出头，轻易突破10 Gbits/in2。 日立宣布将采用CPP-GMR技术在2010年实现1 Tbits/in2。硬盘读出头的发展硬盘读出头的发展 电子时代的瓶颈 尺度限制：原子极限？量子涨落：测不准原理。 解决途径：利用电子的自旋属性 自旋电子学，其目标是利用电子的自旋属性，而不仅是电荷属性，带来电子技术领域的革命。 先决条件 自旋极化： 自旋相关散射： 自旋驰豫：达到微米级。作为对比，动量驰豫是纳米级。CoNi80Fe20Fe(nm)5.54.6

8、1.5(nm)0.60.62.10NNNNP自旋电子学时代自旋电子学时代19751980198519901995200020050246810%年 份 B（19752005）年“Magnetic materials”SCI论文百分数据Web of Science检索（19752005）年间，共发表”Magnetic materials”论文3874篇，分布如图，“Magnetism” 论文12813篇。370篇各种磁效应示意图各种磁效应示意图（李书p6)磁性关联的众多边缘学科磁性关联的众多边缘学科1 磁学基础知识 （6学时）2 抗磁性和顺磁性 （68学时） 3 自发磁化理论 （1216学时）4

9、 磁疇结构 （68学时）5 技术磁化理论 （812学时）6 磁学专题 （8学时）磁性物理教学计划磁性物理教学计划1 姜寿亭 李 卫 编著 凝聚态磁性物理凝聚态磁性物理 科学出版社 20032 奥汉德利 著 现代磁性材料原理和应用现代磁性材料原理和应用 英文版2000；化学工业出版社 20023 戴道生等编著 铁磁学铁磁学（上，中，下）科学出版社 19874 宛德福 马兴隆 编著 磁性物理学磁性物理学 电子工业出版社 19995 李国栋 编著 当代磁学当代磁学 中国科学技术大学出版社 19996 章 综、李国栋 编著 我们生活在磁的世界里我们生活在磁的世界里 清华大学出版社 2000 感谢张泰永

10、教授制作提供本课件！感谢张泰永教授制作提供本课件！主要参考书主要参考书 在讲授具体知识的同时，更加注意介绍磁性物理的研究方法，特别是成功先驱者的思路。 和基础课相比，很多理论尚不够成熟，要以批判的态度接受，特别要注意每种理论的基本假定、适用范围和与实验结果的比较情况，发现存在问题，培育创新意识。 凝聚态磁性物理是我们主要参考教材 ，课件依据课程要求和听课同学的基础，做了内容上的选择和调整，但只是提纲，听课并阅读教材相关章节才能深入学好本课程。 独立完成课堂作业，写好读书报告是加深理解的重要步骤。平时考察会在学习成绩评定上占有重要地位。 教学特点教学特点所谓所谓“巨磁电阻巨磁电阻”效应，是指磁性

11、材料的电阻率在效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。盘已得到广泛应用。 新闻新闻： 瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会今天宣布，将瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会今天宣布，将2007年度诺贝尔物理奖授予法国科学家艾尔伯年度诺贝尔物理奖授予法国科学家艾尔伯-费费尔和德国科学家皮特尔和德国科学家皮特-克鲁伯格，以表彰他们发现克鲁伯格，以表彰他们发现巨磁电阻效应巨磁电阻效应的贡献。（的贡献。（2007.10.9） 这是对巨磁电阻

12、发现及其近这是对巨磁电阻发现及其近20年来得到了广泛年来得到了广泛应用的充分肯定。应用的充分肯定。 瑞典斯德科尔摩皇家科学院发布的颁奖声明称，艾尔伯-费尔和皮特-克鲁伯格1988年各自独立发现了一种全新的物理年各自独立发现了一种全新的物理效应效应-巨磁电阻效应，即一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻巨磁电阻效应，即一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化。系统中产生很大的电阻变化。该系统非常有助于从硬盘中读取数据，因为机器在读取数据时必须把用磁记录的信息转换成电流。随着这项发现公布，一些研究者和工程师开始在制作读取头中加以应用，1997年首个应用巨磁电阻效应的读取头研年首个应用巨磁

13、电阻效应的读取头研制成功，很快成为标准技术，即便今天最新的读取技术也均制成功，很快成为标准技术，即便今天最新的读取技术也均由巨磁电阻效应发展而来。由巨磁电阻效应发展而来。 众所周知，硬盘能够存储包括音乐在内的信息，这些信息被存在微小的磁化区，信息则通过记录磁场变化的读取器取出。硬盘越小，各个磁化区的面积也越小，磁化的程度也越弱。因此如果欲在一张硬盘中存储更多信息，就需要更为灵敏的读取器。基于巨磁电阻效应原理制成的读取器，可以将细小的磁基于巨磁电阻效应原理制成的读取器，可以将细小的磁场变化转换成不同的电阻，使读取器产生不同的电流，而电场变化转换成不同的电阻，使读取器产生不同的电流，而电流是读取器

14、的信号。流是读取器的信号。 M.Baibich ,J.Broto, A.Fert .等9人: Phys.Rev.Letter 61,2472(1988)Grunberg Phys.Rev.Letter 57,2442(1986)艾尔伯艾尔伯-费尔费尔1938年年3月月7日出生于法国的卡尔卡松，已婚日出生于法国的卡尔卡松，已婚并有两个孩子。并有两个孩子。1962年，费尔在巴黎高等师范学院获数学和年，费尔在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。物理硕士学位。1970年，费尔从巴黎第十一大学获物理学博年，费尔从巴黎第十一大学获物理学博士学位。士学位。2004年当选法国科学院院士。年当选法国科学院院士

15、。 艾尔伯艾尔伯-费尔目前为巴黎第十一大学物理学教授。费尔从费尔目前为巴黎第十一大学物理学教授。费尔从1970年到年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。后任研究小组组长。1995年至今则担任国家科学研究中心年至今则担任国家科学研究中心-Thales 集团联合物理小组科学主管。集团联合物理小组科学主管。1988年，年，费尔发现巨磁费尔发现巨磁电阻效应，同时他对自旋电子学作出过许多贡献。电阻效应，同时他对自旋电子学作出过许多贡献。费尔在获得诺贝尔奖之前已经取得多种奖项，包括费尔在获得诺贝尔奖之前已经取得多种奖项，包括199

16、4年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，1997年获欧洲物理年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研年获法国国家科学研究中心金奖。究中心金奖。(关新关新)德国科学家皮特德国科学家皮特-克鲁伯格克鲁伯格1939年年5月月18日出生。从日出生。从1959年年到到1963年，克鲁伯格在法兰克福约翰年，克鲁伯格在法兰克福约翰-沃尔夫冈沃尔夫冈-歌德大学学习歌德大学学习物理，物理，1962年获得中级文凭，年获得中级文凭，1969年在达姆施塔特技术大学获年在达姆施塔特技术大学获得博士学位。得博士学位。1988年，克

17、鲁伯格在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻年，克鲁伯格在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；效应；1992年被任命为科隆大学兼任教授；年被任命为科隆大学兼任教授；2004年在研究中心年在研究中心工作工作32年后退休，但仍在继续工作。年后退休，但仍在继续工作。克鲁伯格在学术方面获奖颇丰，包括克鲁伯格在学术方面获奖颇丰，包括1994年获美国物理学年获美国物理学会颁发的新材料国际奖会颁发的新材料国际奖(与艾尔伯与艾尔伯-费尔、帕克林共同获得费尔、帕克林共同获得)；1998年获由德国总统颁发的德国未来奖；年获由德国总统颁发的德国未来奖；2007年获沃尔夫基金年获沃尔夫基金奖物理奖奖物理奖(与艾尔伯与艾

18、尔伯-费尔共同获得费尔共同获得)。(关新关新)科普：小硬盘中的大发现科普：小硬盘中的大发现“巨磁电阻巨磁电阻”效应效应 新华网北京10月9日电(记者潘治)体积越来越小，容量越来越大在如今这个信息时代，存储信息的硬盘自然而然被人们寄予了这样的期待。得益于得益于“巨磁电阻巨磁电阻”效应这一重大发现效应这一重大发现，最近20多年来，我们开始能够在笔记本电脑、音乐播放器等所安装的越来越小的硬盘中存储海量信息。 瑞典皇家科学院说：“今年的物理学奖授予用于读取硬盘数今年的物理学奖授予用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小。小

19、。” 通常说的硬盘也被称为磁盘，这是因为在硬盘中是利用磁介质来存储信息的。一般而言，在密封的硬盘内腔中有若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又进而被划分为若干个扇区。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个数据读出头。 简单地说，当数据读出头“扫描”过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为“0”和“1”，成为所有信息的原始“译码”。伴随着信息数字化的大潮，人们开始寻求不断缩小硬盘体积同时提高硬盘容量的技术。1988年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了“巨磁电阻”效应，也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致

20、巨大电阻变化的特殊效应。 这一发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题：当硬盘体积不断变小，这一发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题：当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻巨磁电阻”效应，人们才得效应，人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，以制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。并且转换成清晰的电流

21、变化。 1997年，第一个基于“巨磁电阻”效应的数据读出头问世，并很快引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了“巨磁电阻巨磁电阻”效应，这一技效应，这一技术已然成为新的标准。术已然成为新的标准。 瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外一项发明于上世纪70年代的技术，即制造不同材料的超薄层的技术，使得人们有望制造出只有几个原子厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同材料薄膜构成的结构，因而只要在由于数据读出头是由多层不同材料薄膜构成的结构，因而只要在“巨

22、磁电阻巨磁电阻”效应依然起作用的尺度范围内，科学家未来将能够进一步缩小效应依然起作用的尺度范围内，科学家未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。硬盘体积，提高硬盘容量。 CCTV.com 2007年10月09日 21:49 来源：新华网体会：体会： 他们这项具有里程碑意义的开拓性工作，不仅引发了过他们这项具有里程碑意义的开拓性工作，不仅引发了过去十几年中凝聚态物理新兴学科去十几年中凝聚态物理新兴学科磁电子学和自旋电子学磁电子学和自旋电子学的形成与快速发展，也极大地促进了与电子自旋性质相关的的形成与快速发展，也极大地促进了与电子自旋性质相关的新型磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和广泛应用。新型磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和广泛应用。 纵观近年来诺贝尔物理学奖获奖项目，可以发现纵观近年来诺贝尔物理学奖获奖项目，可以发现“那些那些发现了物理学新原理，并使这一原理得到广泛应用发现了物理学新原理，并使这一原理得到广泛应用”的科学的科学家日益得到评审们的关注。家日益得到评审们的关注。