磁性物理緒論

1、磁性是物質(zhì)的基本屬性，也是人類(lèi)最早研究和開(kāi)發(fā)利用最磁性是物質(zhì)的基本屬性，也是人類(lèi)最早研究和開(kāi)發(fā)利用最廣泛的物理性質(zhì)，如今磁性的應(yīng)用已經(jīng)深入到人類(lèi)生活的各個(gè)廣泛的物理性質(zhì)，如今磁性的應(yīng)用已經(jīng)深入到人類(lèi)生活的各個(gè)方面，無(wú)論是生活、生產(chǎn)還是科學(xué)研究中，磁性材料的利用和方面，無(wú)論是生活、生產(chǎn)還是科學(xué)研究中，磁性材料的利用和磁現(xiàn)象的研究和應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到十分普及和無(wú)法替代的程度磁現(xiàn)象的研究和應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到十分普及和無(wú)法替代的程度（見(jiàn)附圖說(shuō)明）。所以（見(jiàn)附圖說(shuō)明）。所以了解物質(zhì)磁性，已經(jīng)成為我們從事現(xiàn)代了解物質(zhì)磁性，已經(jīng)成為我們從事現(xiàn)代生產(chǎn)，熟悉現(xiàn)代生活的必要準(zhǔn)備。生產(chǎn)，熟悉現(xiàn)代生活的必要準(zhǔn)備。在科學(xué)研究中

2、，磁性不僅自在科學(xué)研究中，磁性不僅自身的深入研究從未停止過(guò)，而且也已成為眾多學(xué)科的重要研究身的深入研究從未停止過(guò)，而且也已成為眾多學(xué)科的重要研究手段手段，近十幾年來(lái)，由于巨磁阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而催生的，近十幾年來(lái)，由于巨磁阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而催生的自旋電子自旋電子學(xué)學(xué)又為磁學(xué)開(kāi)辟了新的更為廣闊的應(yīng)用前景，成了二十一世紀(jì)又為磁學(xué)開(kāi)辟了新的更為廣闊的應(yīng)用前景，成了二十一世紀(jì)初最為科技界關(guān)注和最有前途的研究方向之一。初最為科技界關(guān)注和最有前途的研究方向之一。磁性物理課主磁性物理課主要介紹凝聚態(tài)物質(zhì)各種磁性的要介紹凝聚態(tài)物質(zhì)各種磁性的形成機(jī)理及宏觀表現(xiàn)形成機(jī)理及宏觀表現(xiàn)，磁有序的，磁有序的各種理論，外磁場(chǎng)作用下磁

3、性物質(zhì)內(nèi)部的相互作用過(guò)程以及磁各種理論，外磁場(chǎng)作用下磁性物質(zhì)內(nèi)部的相互作用過(guò)程以及磁性應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題。性應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題。該課程為本科生應(yīng)用物理專(zhuān)業(yè)固體物理課之后的選修專(zhuān)業(yè)該課程為本科生應(yīng)用物理專(zhuān)業(yè)固體物理課之后的選修專(zhuān)業(yè)課，授課課，授課5252學(xué)時(shí)，計(jì)學(xué)時(shí)，計(jì)3 3個(gè)學(xué)分。個(gè)學(xué)分。磁性物理學(xué)磁性物理學(xué)課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介 科學(xué)研究表明：科學(xué)研究表明： 近近自我們的身體和我們居住的地球，自我們的身體和我們居住的地球，遠(yuǎn)遠(yuǎn)至月球、太陽(yáng)至月球、太陽(yáng)和各類(lèi)天體；和各類(lèi)天體；小小至原子、原子核和基本粒子，至原子、原子核和基本粒子，大大至天體和至天體和宇宙空間，構(gòu)成它們的宇宙空間，構(gòu)成它們的各種物質(zhì)都具有磁性

4、各種物質(zhì)都具有磁性，它們所在的，它們所在的空間都存在磁場(chǎng)空間都存在磁場(chǎng)。也就是說(shuō)：也就是說(shuō)： 任何物質(zhì)都具有或強(qiáng)或弱的磁性，任何空間都存在或任何物質(zhì)都具有或強(qiáng)或弱的磁性，任何空間都存在或高或低的磁場(chǎng)。高或低的磁場(chǎng)?？梢哉J(rèn)為：磁性是普遍存在的，我們就生可以認(rèn)為：磁性是普遍存在的，我們就生活在磁的世界里?；钤诖诺氖澜缋?。 因此了解物質(zhì)磁性的起因，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的一個(gè)重因此了解物質(zhì)磁性的起因，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的一個(gè)重要方面，而如何利用磁性也一直是人類(lèi)所追求的目標(biāo)，要方面，而如何利用磁性也一直是人類(lèi)所追求的目標(biāo)，如如今人類(lèi)認(rèn)識(shí)和利用磁性都已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，人類(lèi)生今人類(lèi)認(rèn)識(shí)和利用磁性都已經(jīng)達(dá)到了很高的

5、水平，人類(lèi)生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中，磁性的應(yīng)用幾乎無(wú)處不在。產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中，磁性的應(yīng)用幾乎無(wú)處不在。磁性的應(yīng)用已經(jīng)磁性的應(yīng)用已經(jīng)遍及人類(lèi)生產(chǎn)、遍及人類(lèi)生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，生活的各個(gè)領(lǐng)域，磁的應(yīng)用幾乎無(wú)磁的應(yīng)用幾乎無(wú)所不在。所不在。磁性應(yīng)用促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的實(shí)例磁性應(yīng)用促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的實(shí)例：1. 任何機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換以及電能的輸送，都是以利用磁性任何機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換以及電能的輸送，都是以利用磁性和磁性材料為前提的。磁性材料在發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器和磁性材料為前提的。磁性材料在發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器中的使用，保證了電氣化的實(shí)現(xiàn)。沒(méi)有對(duì)磁性的認(rèn)識(shí)以及對(duì)中的使用，保證了電氣化的實(shí)現(xiàn)。沒(méi)有對(duì)磁性的認(rèn)

6、識(shí)以及對(duì)磁性材料的深入研究，就沒(méi)有電氣化的實(shí)現(xiàn)，也就沒(méi)有人類(lèi)磁性材料的深入研究，就沒(méi)有電氣化的實(shí)現(xiàn)，也就沒(méi)有人類(lèi)的現(xiàn)代文明。近幾十年來(lái)納米軟磁材料以及稀土永磁材料的的現(xiàn)代文明。近幾十年來(lái)納米軟磁材料以及稀土永磁材料的出現(xiàn)都對(duì)人類(lèi)社會(huì)的電氣化繼續(xù)起著巨大推動(dòng)作用。出現(xiàn)都對(duì)人類(lèi)社會(huì)的電氣化繼續(xù)起著巨大推動(dòng)作用。2. 磁記錄、磁存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展促成了計(jì)算機(jī)的高速化和小磁記錄、磁存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展促成了計(jì)算機(jī)的高速化和小型化，推動(dòng)了人類(lèi)信息化社會(huì)的到來(lái)，如今各種磁帶、磁卡、型化，推動(dòng)了人類(lèi)信息化社會(huì)的到來(lái)，如今各種磁帶、磁卡、磁盤(pán)已經(jīng)成為我們生活學(xué)習(xí)中不可或缺的工具，也成為現(xiàn)代磁盤(pán)已經(jīng)成為我們生活學(xué)

7、習(xí)中不可或缺的工具，也成為現(xiàn)代電子商務(wù)的支柱。上世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)并開(kāi)始利用的巨磁阻現(xiàn)象還電子商務(wù)的支柱。上世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)并開(kāi)始利用的巨磁阻現(xiàn)象還將為將為21世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)的信息化帶來(lái)更大的推動(dòng)。世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)的信息化帶來(lái)更大的推動(dòng)。磁性在家用電器中磁性在家用電器中的應(yīng)用：的應(yīng)用：揚(yáng)聲器；小型電機(jī)；磁帶；磁頭；磁密封圈；天線；偏轉(zhuǎn)磁芯等。見(jiàn)章綜書(shū)見(jiàn)章綜書(shū)P154現(xiàn)代汽車(chē)需要使用幾現(xiàn)代汽車(chē)需要使用幾十個(gè)小型永磁電動(dòng)機(jī)十個(gè)小型永磁電動(dòng)機(jī)和其它磁控機(jī)械元件。和其它磁控機(jī)械元件。見(jiàn)章綜書(shū)見(jiàn)章綜書(shū) p153磁浮火車(chē)示意圖磁浮火車(chē)示意圖磁儲(chǔ)氫汽車(chē)示意圖磁儲(chǔ)氫汽車(chē)示意圖見(jiàn)章綜書(shū)見(jiàn)章綜書(shū) p222進(jìn)一步的應(yīng)用舉例：進(jìn)一步的應(yīng)

8、用舉例： 磁冰箱很可能在某一天取代您廚房中的傳統(tǒng)電冰箱磁冰箱很可能在某一天取代您廚房中的傳統(tǒng)電冰箱 June 23, 2004June 23, 2004偏轉(zhuǎn)磁鐵：偏轉(zhuǎn)磁鐵： 12臺(tái)臺(tái)常規(guī)扭擺磁鐵：常規(guī)扭擺磁鐵：1臺(tái)臺(tái)超導(dǎo)扭擺磁鐵：超導(dǎo)扭擺磁鐵：1臺(tái)臺(tái)聚頻磁鐵：聚頻磁鐵： 1臺(tái)臺(tái)4 極磁鐵：極磁鐵： 32臺(tái)臺(tái)6 極磁鐵：極磁鐵： 16臺(tái)臺(tái)另有：沖擊磁鐵、另有：沖擊磁鐵、 切割磁鐵等切割磁鐵等在科學(xué)設(shè)備中的應(yīng)用在科學(xué)設(shè)備中的應(yīng)用結(jié)論：結(jié)論： 沒(méi)有磁的應(yīng)用，現(xiàn)代文明是不可想像的沒(méi)有磁的應(yīng)用，現(xiàn)代文明是不可想像的。 了解物質(zhì)磁性，已經(jīng)成為我們從事現(xiàn)代了解物質(zhì)磁性，已經(jīng)成為我們從事現(xiàn)代生產(chǎn)，熟悉現(xiàn)代生活

9、的必要準(zhǔn)備，更是我們生產(chǎn)，熟悉現(xiàn)代生活的必要準(zhǔn)備，更是我們可以選擇的研究方向?？梢赃x擇的研究方向。OHandley 2000年在他的書(shū)中寫(xiě)道：美國(guó)來(lái)自硅谷的磁性元件產(chǎn)值，已經(jīng)大于在那里制造的半導(dǎo)體元件產(chǎn)值，這是磁性元件在信息工業(yè)中地位迅速提高的最好說(shuō)明。Global market for magnetic materials the total in 1999 was about 30b$.全球市場(chǎng)：全球市場(chǎng)：300億美元億美元20世紀(jì)世紀(jì)8090年代是磁性材料發(fā)展史上輝年代是磁性材料發(fā)展史上輝煌的一頁(yè)：煌的一頁(yè)：(3d-4f)稀土磁性材料；非晶，稀土磁性材料；非晶，納米晶磁性材料；磁電子材料

10、等橫空出世，納米晶磁性材料；磁電子材料等橫空出世，開(kāi)創(chuàng)了磁性材料新紀(jì)元。開(kāi)創(chuàng)了磁性材料新紀(jì)元。20 世紀(jì)世紀(jì)8090年代磁學(xué)的重大發(fā)展：年代磁學(xué)的重大發(fā)展： 1984年德國(guó)的H.Gleiter教授等合成了納米晶體Pd, Fe等。1988 1986年 Grunberg 發(fā)現(xiàn)Fe/Cr/Fe 三明治結(jié)構(gòu)中Cr適當(dāng)厚度產(chǎn)生反鐵磁耦合。 1988年 Baibich等發(fā)現(xiàn)(Fe/Cr)多層膜的巨磁電阻效應(yīng)。 1994年 Jin等在LaCaMnO3中發(fā)現(xiàn)了龐磁電阻（CMR）效應(yīng)。 1995年 T.Miyazaki發(fā)現(xiàn)隧道磁電阻（TMR）效應(yīng)1993年 理論表明納米級(jí)的軟磁和硬磁顆粒復(fù)合將綜合軟磁 Ms 高

11、，硬磁 Hc 高的優(yōu)點(diǎn)獲得磁能級(jí)比現(xiàn)有最好NdFeB高一倍的新型納米硬磁材料。磁性材料的任何進(jìn)步對(duì)社會(huì)生產(chǎn)的推動(dòng)是巨大的磁性材料的任何進(jìn)步對(duì)社會(huì)生產(chǎn)的推動(dòng)是巨大的： 納米軟磁以最小的損耗實(shí)現(xiàn)高磁通量的轉(zhuǎn)換，大大節(jié)約了能源。 NdFeB永磁材料比傳統(tǒng)的AlNiCo永磁材料存儲(chǔ)能量提高20倍以上，使用該材料制成的器件重量只有用傳統(tǒng)材料同樣功率器件的二十分之一。 磁記錄密度的提高，磁頭靈敏度的提高，大大減小了磁硬盤(pán)的體積，直接推動(dòng)了計(jì)算機(jī)體積的減小，計(jì)算速度的提高以及容量的加大。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

12、(70年代）；第三代 Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？第四代稀土永磁？2004年年 170Gbit/in2預(yù)計(jì)不久到 1000 Gbit/in2,最終可能到 50 Tbit/in2(100nm65Gbit/in2)2000100硬磁盤(pán)讀出頭的發(fā)展硬磁盤(pán)讀出頭的發(fā)展日立公司日立公司2005年新研制的年新研制的10G微型硬盤(pán)微型硬盤(pán)1G = 1091T = 1012 in = 2.54cm 在半導(dǎo)體材料中有在半導(dǎo)體材料中有電子電子和和空穴空穴兩種載流子，利用兩種載流子，利用這兩類(lèi)載流子的輸運(yùn)性質(zhì)，這兩類(lèi)載流子的輸運(yùn)性質(zhì)，1947年發(fā)明了晶體管，年發(fā)明了晶體管，開(kāi)創(chuàng)了信息時(shí)代。成就了人

13、類(lèi)今天的現(xiàn)代化。開(kāi)創(chuàng)了信息時(shí)代。成就了人類(lèi)今天的現(xiàn)代化。 電子通過(guò)磁化的鐵磁材料，產(chǎn)生自旋極化電子，電子通過(guò)磁化的鐵磁材料，產(chǎn)生自旋極化電子，極化電子有向上和向下的兩種載流子，利用極化電子有向上和向下的兩種載流子，利用自旋向上自旋向上或或向下向下兩類(lèi)載流子的特性能否兩類(lèi)載流子的特性能否做成新的電子器件做成新的電子器件？更？更進(jìn)一步能否進(jìn)一步能否利用四種載流子制造電子器件利用四種載流子制造電子器件？顯然我們？顯然我們可以期望這種未來(lái)的新技術(shù)必將給人類(lèi)帶來(lái)無(wú)法估量可以期望這種未來(lái)的新技術(shù)必將給人類(lèi)帶來(lái)無(wú)法估量的影響，所以有人提出的影響，所以有人提出21世紀(jì)是磁電子學(xué)時(shí)代。世紀(jì)是磁電子學(xué)時(shí)代。GMR

14、的部分應(yīng)用的部分應(yīng)用反鐵磁層鐵磁層 1鐵磁層 2非磁性層硬盤(pán)讀出磁頭硬盤(pán)讀出磁頭GMR隔離器傳感器GMR-type MRAM(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM, 估計(jì)軍方是唯一用戶)CompassingGlobal Position SystemsVehicle DetectionNavigationRotational DisplacementThe World of Magnetic Sensors羅盤(pán)全球定位車(chē)輛檢測(cè)導(dǎo)航位置傳感器電流傳感器Communication Products 通信產(chǎn)品自旋極化掃描隧道顯微鏡自旋極化掃描隧道顯微鏡1975198019851990199

15、5200020050246810%年 份 B（19752005）年“Magnetic materials”SCI論文百分?jǐn)?shù)據(jù)Web of Science檢索（19752005）年間，共發(fā)表”Magnetic materials”論文3874篇，分布如圖，“Magnetism” 論文12813篇。370篇磁現(xiàn)象的普遍性磁現(xiàn)象的普遍性：地球磁場(chǎng)例如：例如： 1975年發(fā)現(xiàn)了向磁性細(xì)菌體內(nèi)有一排磁性納米粒年發(fā)現(xiàn)了向磁性細(xì)菌體內(nèi)有一排磁性納米粒子，這些磁性納米粒子導(dǎo)航作用的物理原理和生物過(guò)子，這些磁性納米粒子導(dǎo)航作用的物理原理和生物過(guò)程有何關(guān)系？程有何關(guān)系？蜜蜂腹部的磁性納米顆粒（蜜蜂腹部的磁性納米顆

16、粒（G代表磁性顆粒）代表磁性顆粒） 對(duì)地磁場(chǎng)的準(zhǔn)確定位有何作用？對(duì)地磁場(chǎng)的準(zhǔn)確定位有何作用？人類(lèi)大腦中平均含有人類(lèi)大腦中平均含有20微克（約微克（約500萬(wàn)粒）的磁性納米萬(wàn)粒）的磁性納米粒子，與人類(lèi)的進(jìn)化，成長(zhǎng)，某些腦功能有何關(guān)系？粒子，與人類(lèi)的進(jìn)化，成長(zhǎng)，某些腦功能有何關(guān)系？實(shí)驗(yàn)室中常規(guī)磁鐵的磁場(chǎng)可達(dá)實(shí)驗(yàn)室中常規(guī)磁鐵的磁場(chǎng)可達(dá)1-2 T,超導(dǎo)磁鐵可達(dá)超導(dǎo)磁鐵可達(dá) 10 T各種磁效應(yīng)示意圖各種磁效應(yīng)示意圖磁現(xiàn)象和其他學(xué)科交叉而出現(xiàn)的眾多邊緣學(xué)科磁現(xiàn)象和其他學(xué)科交叉而出現(xiàn)的眾多邊緣學(xué)科 （李書(shū)p6)磁性物理教學(xué)計(jì)劃磁性物理教學(xué)計(jì)劃1 磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) （6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）2 抗磁性和順磁性抗

17、磁性和順磁性 （68學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 3 自發(fā)磁化理論自發(fā)磁化理論 （1216學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）4 磁疇結(jié)構(gòu)磁疇結(jié)構(gòu) （68學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）5 技術(shù)磁化理論技術(shù)磁化理論 （812學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）6 磁學(xué)專(zhuān)題磁學(xué)專(zhuān)題 （8學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）主要參考書(shū)：主要參考書(shū)：1 姜壽亭 李 衛(wèi) 編著 凝聚態(tài)磁性物理凝聚態(tài)磁性物理 科學(xué)出版社 20032 奧漢德利 著 現(xiàn)代磁性材料原理和應(yīng)用現(xiàn)代磁性材料原理和應(yīng)用 英文版2000；化學(xué)工業(yè)出版社 20023 戴道生等編著 鐵磁學(xué)鐵磁學(xué)（上，中，下）科學(xué)出版社 19874 宛德福 馬興隆 編著 磁性物理學(xué)磁性物理學(xué) 電子工業(yè)出版社 19995 李國(guó)棟 編著 當(dāng)代磁學(xué)當(dāng)代磁學(xué) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 19996 章 綜、李國(guó)棟 編著 我們生活在磁的世界里我們生活在磁的世界里 清華大學(xué)出版社 2000教學(xué)特點(diǎn)：教學(xué)特點(diǎn)： 在講授具體知識(shí)的同時(shí)，更加注意介紹在講授具體知識(shí)的同時(shí)，更加注意介紹磁性物理的研究磁性物理的研究方法方法，特別是，特別是成功先驅(qū)者的思路成功先驅(qū)者的思路。 和基礎(chǔ)課相比，很多理論尚不夠成熟，要以和基礎(chǔ)課相比，很多理論尚不夠成熟，要以批判的批判的態(tài)度態(tài)度接受，特別要注意每種理論的基本假定、適用范圍和與實(shí)接受，特別要注意每種理論的基本假定、適用范圍和與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較情況，發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)