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自旋世界(24)--多铁复兴I 精选

已有 13865 次阅读 2007-12-2 22:20 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记

 

本系列我们品尝过两道“铁电”小吃,曾经尝试将其纳入到“自旋世界”的菜系之中。刚刚呈上的四道大餐总算让我们尝尽“庞磁电阻”的酸甜苦辣。回味流连之余,我们该领略“多铁物质”这个满汉全席系列了。要说庞磁电阻可能还有很多人见识过,而这里要推杯问盏的多铁可能就较少有人问津,虽然它们会显得更加五毒俱全和辗转百味。呵呵,自己先吹一把。

 

话说回来,所谓“多铁性”,其实是指在一类物质世界里,您既可以领略到伊辛自旋构成的美妙,也可以浏览电偶极矩(类自旋系统)箭头组成的壮观图景。多铁的复杂性和优雅程度丝毫不亚于庞磁电阻锰氧化物,甚至让我们颇有“天外有天、山外有山”的感慨,倍觉这是至理名言。

 

这里称呼我们把玩的世界为多铁,并不是说我们就要跟“铁”打交道了。这一历史的误会来源于古人首先在Fe里面看到磁通与磁场构成的磁滞回线。随后数百年来,先人就将那些包含回线的物质统称为“铁性”物质,虽然这些物质可以与“铁”没有任何关系。多铁中的“铁”寓意为具有回线行为。

 

古人今人都常说“不是冤家不聚头”、“都说老死不来往,来生投胎作兄弟”、“渡尽劫波兄弟在,相逢一笑泯恩仇”,这些雅辞用来描述多铁物质实在是再合适不过了。看来人类的确没有太多的创造能力,上帝早就在冥冥之中安排了一切人类智慧于大千世界之中。

 

之所以说“都说老死不来往”有着我们日常科普常识方面的原因,也有更深层次的物理根源。日常科普中,我们将铁磁体与铁电体看成绝然不同永不相交的两类物质。前者多半是金属或者导电良好的体系,组成元素多半有d轨道被电子部分填充的过渡金属。而后者肯定是良好的绝缘体,总是存在很大的带隙,否则无论如何都不可能产生电偶极矩。一些典型的铁电体也包含有过渡金属元素,只是这些元素的d轨道多半是全空或者全满的。我们从铁磁性和铁电性两大类物质中找不到交集之处。

 

上面这层意思说得稍微专业一些,就要用到最简单的固体能带图像了。铁磁物质之所以为铁磁,是因为其自旋向上带和自旋向下带的态密度存在能量上的差异。除非费米面下面的态密度分布离开费米面很远很远(很遗憾,自然界这种很远很远的物质不多呢),否则要形成“自旋向上带和自旋向下带的态密度能量差异”就不可避免地要将自旋向上带的位置提升到费米面附近,所以铁磁物质总是比较容易导电的。而铁电体要求其价带态密度分布离开费米面尽可能远以保持绝缘性。这一简单能带图像说明铁电与铁磁不大可能交集。

 

可是,曾几何时上个世纪五十年代,“来生投胎作兄弟”也有了这样漂亮的点缀之作:多铁物质就是要将铁磁性和铁电性这两种老死不相往来的性质捏在一起。

 

那么为什么要将这对“对头”捏在一起作兄弟呢?原因很简单:因为人类很贪婪!我们拥有了铁磁记录介质,如磁盘和磁内存;我们也拥有了铁电存储技术和压电驱动传感应用技术;可是人类还想将这磁记录存储与铁电记录存储捏到一块。这样做的好处是:

 

1,集成磁记录和铁电记录,磁场控制自旋读写,电场控制电偶极矩读写。

2,人类还“梦想”要磁场控制电偶极矩读写,电场控制自旋读写。这可了不得!

 

目前的技术是铁电写起来快,磁性读起来快。因此上述过程应用价值巨大。

 

那么又怎么捏在一起的?我们的先人早就看到了。事实上,最早的端倪要归结德国人伦琴。他最早发现运动的电荷可以产生磁场,这是多铁性诞生的坯胎。而明确预言多铁性存在的是皮埃尔-居里,是他在1894年诊断出坯胎是多铁的。这一历史性的贡献被后人总结在下面这幅图画之中(来自日本东京大学大牛Tokura)

 

 

 

 

显然,那个时代,这种天才人物的贡献决不会只局限在一个学科中。随后,量子力学的牛人们预言自旋与电子轨道之间存在交互耦合(上图右下部),从而导致人们对磁性和电偶极矩共存的憧憬---自旋对应磁性,而电子轨道的极化自然对应电偶极矩了。

 

至于多铁真正跑到俄罗斯去诞生的故事,且听下回分解。

 

 

 





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