毕业论文：物质的磁性

毕 业 论 文

题 目：

学 院： 物理与电子工程学院

专 业： 物理学

毕业年限： 2013年6月

学生姓名： 王涛

学 号： 201072010259

指导教师： 张爱霞

目录

目录 ................................................................................................................................................. Ⅰ

摘 要 ............................................................................................................................................. Ⅱ

Abstract ..................................................................................................................................... Ⅱ

引 言 .............................................................................................................................................. II

一.磁性的产生机理 ......................................................................................................................... 1

1．带电粒子在电磁场中的薛定谔方程 ................................................................................. 2

2. 均匀磁场中电子的哈密顿量 ............................................................................................. 2

3.磁场对体系哈密顿量的影响 ............................................................................................... 3

3.1 强磁场 ....................................................................................................................... 3

3.2 弱磁场 ....................................................................................................................... 3

4． 原子的磁矩 ....................................................................................................................... 3

4.1 单电子原子 ............................................................................................................... 3

4.2 多电子原子 ............................................................................................................... 4

二．磁电效应 ................................................................................................................................... 5

1.概念和机理 ........................................................................................................................... 5

2. 原子(离子)位移型磁电效应 ........................................................................................... 6

2．1自旋有序诱导铁电性 .............................................................................................. 7

2.2纯电子(极化载流子)移动型磁电效应 .................................................................... 9

2.2.1表面磁电效应 .............................................................................................. 9

2.2.2界面载流子聚集型磁电效应 .................................................................... 13

2.3 广义磁电效应 ....................................................................................................... 15

三．磁电体的最新应用 ................................................................................................................. 16

1.磁电传感器 ......................................................................................................................... 17

2.磁读电写硬盘 ..................................................................................................................... 17

四．结论 ......................................................................................................................................... 18

五．致谢 ......................................................................................................................................... 18

参考文献 ......................................................................................................................................... 19

物质的磁性

专业： 物理学 班级：2010级物理学（1）班 学号：201072010259 姓名：王 涛 指导老师： 张爱霞 届别：2014届

摘 要

本文首先基于量子力学的方法探讨原子核外电子在外磁场中的哈密顿量及薛定谔

方程，并用微扰理论推导了原子磁矩的微观描述。然后介绍了当前物理界和材料界的关

注热点——磁电体，对具体物质的磁性的理论研究和实验进展作进一步呈现，重点综述

了有关磁电效应的产生机制,特别是一些新颖机制，如界面磁电效应、表面磁电效应、

广义磁电效应和拓扑磁电效应等。文章最后介绍了基于磁电体的一些新型功能性器件,

如磁电传感器,磁读电写硬盘等。

关键词：磁性；哈密顿量；微扰；磁矩 ; 磁电效应; 磁电体 Abstract

In this thesis, first of all, Based on the method of quantum mechanics，it is easy to derive the

Hamiltonian and the Schrodinger equation of atom in an external magnetic field. And then the

microscopic description of atomic magnetic moment is exported by the perturbation theory .And

then it explores the attention hot - body of physics and materials , theoretical research and

experimental progress of magnetic of concrete material are further presented , mainly summarizes

the generation mechanism of the magnetoelectric effect, especially some novel mechanisms, such

as interface magnetoelectricity effect, surface magnetoelectricity effect, the generalized

magnetoelectric effect and topological magnetoelectric effect. At last,it is introduced some of new

functional components based on the magnetoelectric body , such as magnetoelectric sensor,

magnetic reading electric writing hard disk, etc.

Key words: Magnetic; Khamenei's quantity; Perturbation; Magnetic moment ;Magnetoelectric

effect; The magnetoelectric body

引 言

电和磁是自然界最基本的物理现象之一,人类在文明发展初期就已经认识了这两种

现象,开始了断断续续的研究并留下了文字记载。18世纪麦克斯韦提出的以其名字命名

的方程组集经典电磁学理论之大成,表明电和磁不是两个完全独立的现象,它们之间存

在相互耦合,即变化的电场可以产生磁场,变化的磁场可以产生电场,电场和磁场统一在

电磁场这一大框架下。由于电磁场能够独立存在于真空,所以上述这种电磁耦合并不需

要外界物质做媒介,它其实是电磁场的内稟性质。本文所要讨论的磁电耦合指的是表征

介质磁学性质和介电性质的序参量,即磁化强度(M)和电极化强度(P)之间存在耦合作

用。基于此,外加电场可以改变介质的磁学性质,或者外加磁场能够改变介质的电极化性

质,这种效应被称作磁电效应,而具有这种性质的材料则被称为磁电材料或磁电体。由于

外加电(磁)场可以是静电(磁)场,因此这种效应与法拉第电磁感应有着明显的不同,它

反映的是磁电体本身的性质。磁电效应的物理应用显而易见,它可以用来转换能量、传

感信号、检测磁(电)场等。然而，磁电效应真正让人心动的应用是在信息存储方面，由

于它把磁化强度和电极化强度等可以表征信息的极化矢量紧密联系起来,这就提供了用

不同手段在存储介质上读取或写入信息的途径。而进一步结合各种调控手段的优势,就

有可能开发出全新概念的下一代信息功能器件,如磁电传感器、磁读电写硬盘等,这些功

能器件在信息产业上具有巨大的潜在应用价值,将在后文中一一介绍。另一方面,磁电效

应不仅仅在现象上区别于电磁感应,它所具有的物理内涵也不是经典的麦克斯韦方程能

够诠释的。事实上,磁电效应具有多种产生机制,它深刻地反映了在微观层次上物质内稟

性质之间的紧密联系,其解释涉及量子论、相对论、统计热力学、多体理论、群论等现

代数学和物理先进理论在固体领域的应用,而如果没有迄今才发展成较为成熟的计算机

技术和固体能带计算理论作支撑,要想定量探索磁电效应产生的微观物理机制也是不可

想象的。

一.磁性的产生机理

纵观各类教科书及科研论文，对物质磁性的研究基本上是基于宏观电磁场理论。但

是，随着原子结构、量子力学理论和微观结构分析方法的发展，已逐渐把宏观磁现象建

立在微观结构的实验和理论分析的基础之上，用微观量子力学的方法，阐明物质的磁性，能更加全面、更加本质地了解物质。