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計模型。盡管如此,如