自旋阻挫系統(tǒng)磁學性質(zhì)的Monte Carlo模擬.pdf

1、競爭相互作用-阻挫是凝聚態(tài)物理中的重要現(xiàn)象之一。由于帶有自旋阻挫的系統(tǒng)具有許多獨特的性質(zhì),因而使其有可能應(yīng)用到目前世界上很多非常熱門的領(lǐng)域中。室溫磁制冷和超高密度磁記錄是當今磁學領(lǐng)域中的兩大熱點課題,受到全世界人們廣泛的關(guān)注。經(jīng)過理論和實驗上的研究,人們預(yù)測帶有自旋阻挫的系統(tǒng)將有望成為新一代磁制冷工質(zhì)和磁記錄材料的候選。因此,本論文分別使用Ising模型和經(jīng)典的Heisenberg模型,采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法模擬研究

2、了由晶格結(jié)構(gòu)和近鄰交換作用引起的兩種阻挫系統(tǒng)模型的磁學性質(zhì)。所做的工作和得到的主要結(jié)論如下:
　　 1)當研究經(jīng)典的Heisenberg模型的磁學特性時,給出了一種改進的蒙特卡羅Metropolis算法。在對整個系統(tǒng)的自旋能量求極小的過程中,完全考慮了自旋方向在低溫時的熱擾動。因此系統(tǒng)內(nèi)自旋的翻轉(zhuǎn)概率不再僅僅取決于初、末兩態(tài)的能量,而同時還考慮了其間的勢壘能量。一旦勢壘能量高于初、末態(tài)的能量,則自旋翻轉(zhuǎn)的概率由初態(tài)能量和勢壘的能

3、量決定。并且以Stoner-Wohlfarth模型為例,解決了和此算法相關(guān)的能量區(qū)域的判定問題。
　　 2)采用標準的蒙特卡羅方法,使用自旋為1/2的Ising模型,模擬研究了二維三角和三維六角密堆晶格結(jié)構(gòu)的阻挫反鐵磁體的磁化行為和磁熵變。結(jié)果表明,在低溫下二維系統(tǒng)的磁化行為隨外磁場變化會表現(xiàn)出一個1/3平臺,而三維情況下的磁化行為會表現(xiàn)出0和1/2兩個平臺。通過對其微觀自旋構(gòu)型的分析得知,兩種磁化行為的差異是由于引入了層間的交

4、換作用造成的。同時,在研究系統(tǒng)磁熵變的行為時,我們觀察到在低溫下系統(tǒng)可能存在著正磁熵變,表明此時當外加磁場時,發(fā)生了吸熱的現(xiàn)象。而當溫度升高到一定程度時,系統(tǒng)將處于順磁態(tài),此時無論施加多大的外磁場都不會再出現(xiàn)正磁熵變現(xiàn)象。通過對相同溫度相同磁場范圍下的磁化行為和磁熵變結(jié)果的對照,我們發(fā)現(xiàn)了二者之間存在著一種特殊的映射關(guān)系,即磁化平臺的開始點處的外磁場值剛好對應(yīng)到磁熵變曲線中負磁熵變?nèi)〉脴O大值的位置；而磁化平臺的結(jié)束點位置的外磁場值又正好

5、映射到磁熵變曲線中正磁熵變開始點的地方。說明在低溫下當施加一個外磁場時,系統(tǒng)的內(nèi)部發(fā)生了由外磁場所誘導(dǎo)的磁相轉(zhuǎn)變,也表明正磁熵變現(xiàn)象出現(xiàn)的因為是由于系統(tǒng)內(nèi)部存在著很強的阻挫效應(yīng)造成的。因此,對阻挫的反鐵磁體的研究,將為尋找優(yōu)質(zhì)的室溫磁制冷工質(zhì)開辟一個更廣闊的領(lǐng)域。
　　 3)采用改進的蒙特卡羅方法,使用經(jīng)典的Heisenberg模型,分別模擬了兩種磁性結(jié)構(gòu)下的鐵磁/反鐵磁的核.基底系統(tǒng),研究了其交換偏置現(xiàn)象和矯頑力受冷卻場和界面

6、耦合大小的影響。結(jié)果表明,當界面為反鐵磁耦合時,隨著冷卻場的增大交換偏置會從負值逐漸變化到正值。而對于鐵磁界面耦合的情況,交換偏置隨冷卻場變化不明顯,且其值恒為負。這些現(xiàn)象均是由于反鐵磁表面凈剩磁對鐵磁自旋的釘扎作用造成的。通過對經(jīng)兩種強度的冷卻場降溫后系統(tǒng)交換偏置隨界面耦合大小的變化關(guān)系研究可知,當界面為反鐵磁耦合時,兩個模型在經(jīng)弱磁場降溫后,它們的交換偏置在強界面耦合情況下,仍然可能為負值,這是由于反鐵磁表面出現(xiàn)了負的凈剩磁造成的,

7、而在經(jīng)強磁場降溫后,交換偏置始終為正且其值隨界面耦合增強而增大。但是,當界面為鐵磁耦合時,系統(tǒng)交換偏置隨界面耦合大小的變化關(guān)系受冷卻場的影響很小,其值均隨界面耦合增強而增大,且符號恒為負。在本系統(tǒng)中矯頑力受冷卻場和界面耦合大小的變化趨勢不是很明顯,但從其與界面耦合大小的關(guān)系曲線中可以發(fā)現(xiàn),其值幾乎相對于零界面耦合值軸對稱,可見其大小還是受到了反鐵磁的影響。
　　 4)從對兩個核.基底結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的比較中可以發(fā)現(xiàn),交換偏置和矯頑力在兩

8、種系統(tǒng)中隨冷卻場和界面耦合大小的變化趨勢幾乎一致。鐵磁核-反鐵磁基底系統(tǒng)的交換偏置現(xiàn)象很明顯,但是矯頑力很?。欢磋F磁核-鐵磁基底系統(tǒng)的矯頑力很大,但交換偏置現(xiàn)象相對不明顯。這是因為在前者中,鐵磁核由于尺寸很小幾乎始終處于一種單疇的狀態(tài),且足夠大的反鐵磁基底能夠釘扎住鐵磁自旋,而后者鐵磁基底由于大的尺寸使其不可能再保持單疇態(tài),且尺寸小的反鐵磁核不足以完全釘扎住鐵磁自旋?；诖?可以根據(jù)實際磁記錄材料的需要而有目的的設(shè)計模型。盡管如此,如