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

1、競(jìng)爭(zhēng)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(dú)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(dāng)今磁學(xué)領(lǐng)域中的兩大熱點(diǎn)課題,受到全世界人們廣泛的關(guān)注。經(jīng)過理論和實(shí)驗(yàn)上的研究,人們預(yù)測(cè)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(xué)性質(zhì)。所做的工作和得到的主要結(jié)論如下:
　　 1)當(dāng)研究經(jīng)典的Heisenberg模型的磁學(xué)特性時(shí),給出了一種改進(jìn)的蒙特卡羅Metropolis算法。在對(duì)整個(gè)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(shí)的熱擾動(dòng)。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(shí)還考慮了其間的勢(shì)壘能量。一旦勢(shì)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(shì)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)變化會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)1/3平臺(tái),而三維情況下的磁化行為會(huì)表現(xiàn)出0和1/2兩個(gè)平臺(tái)。通過對(duì)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(shí),在研究系統(tǒng)磁熵變的行為時(shí),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(shí)當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),發(fā)生了吸熱的現(xiàn)象。而當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí),系統(tǒng)將處于順磁態(tài),此時(shí)無(wú)論施加多大的外磁場(chǎng)都不會(huì)再出現(xiàn)正磁熵變現(xiàn)象。通過對(duì)相同溫度相同磁場(chǎng)范圍下的磁化行為和磁熵變結(jié)果的對(duì)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(tái)的開始點(diǎn)處的外磁場(chǎng)值剛好對(duì)應(yīng)到磁熵變曲線中負(fù)磁熵變?nèi)〉脴O大值的位置；而磁化平臺(tái)的結(jié)束點(diǎn)位置的外磁場(chǎng)值又正好

5、映射到磁熵變曲線中正磁熵變開始點(diǎn)的地方。說明在低溫下當(dāng)施加一個(gè)外磁場(chǎng)時(shí),系統(tǒng)的內(nèi)部發(fā)生了由外磁場(chǎng)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?yàn)槭怯捎谙到y(tǒng)內(nèi)部存在著很強(qiáng)的阻挫效應(yīng)造成的。因此,對(duì)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(gè)更廣闊的領(lǐng)域。
　　 3)采用改進(jìn)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(chǎng)和界面

6、耦合大小的影響。結(jié)果表明,當(dāng)界面為反鐵磁耦合時(shí),隨著冷卻場(chǎng)的增大交換偏置會(huì)從負(fù)值逐漸變化到正值。而對(duì)于鐵磁界面耦合的情況,交換偏置隨冷卻場(chǎng)變化不明顯,且其值恒為負(fù)。這些現(xiàn)象均是由于反鐵磁表面凈剩磁對(duì)鐵磁自旋的釘扎作用造成的。通過對(duì)經(jīng)兩種強(qiáng)度的冷卻場(chǎng)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(dāng)界面為反鐵磁耦合時(shí),兩個(gè)模型在經(jīng)弱磁場(chǎng)降溫后,它們的交換偏置在強(qiáng)界面耦合情況下,仍然可能為負(fù)值,這是由于反鐵磁表面出現(xiàn)了負(fù)的凈剩磁造成的,

7、而在經(jīng)強(qiáng)磁場(chǎng)降溫后,交換偏置始終為正且其值隨界面耦合增強(qiáng)而增大。但是,當(dāng)界面為鐵磁耦合時(shí),系統(tǒng)交換偏置隨界面耦合大小的變化關(guān)系受冷卻場(chǎng)的影響很小,其值均隨界面耦合增強(qiáng)而增大,且符號(hào)恒為負(fù)。在本系統(tǒng)中矯頑力受冷卻場(chǎng)和界面耦合大小的變化趨勢(shì)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(duì)于零界面耦合值軸對(duì)稱,可見其大小還是受到了反鐵磁的影響。
　　 4)從對(duì)兩個(gè)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(chǎng)和界面耦合大小的變化趨勢(shì)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(duì)不明顯。這是因?yàn)樵谇罢咧?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?wèi)B(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(shí)際磁記錄材料的需要而有目的的設(shè)計(jì)模型。盡管如此,如