自旋阻挫系统磁学性质的Monte Carlo模拟

论文摘要

竞争相互作用-阻挫是凝聚态物理中的重要现象之一。由于带有自旋阻挫的系统具有许多独特的性质,因而使其有可能应用到目前世界上很多非常热门的领域中。室温磁制冷和超高密度磁记录是当今磁学领域中的两大热点课题,受到全世界人们广泛的关注。经过理论和实验上的研究,人们预测带有自旋阻挫的系统将有望成为新一代磁制冷工质和磁记录材料的候选。因此,本论文分别使用Ising模型和经典的Heisenberg模型,采用蒙特卡罗（Morite Carlo）方法模拟研究了由晶格结构和近邻交换作用引起的两种阻挫系统模型的磁学性质。所做的工作和得到的主要结论如下：1)当研究经典的Heisenberg模型的磁学特性时,给出了一种改进的蒙特卡罗Metropolis算法。在对整个系统的自旋能量求极小的过程中,我们完全考虑了自旋方向在低温时的热扰动。因此系统内自旋的翻转概率不再仅仅取决于初、末两态的能量,而同时还考虑了其间的势垒能量。一旦势垒能量高于初、末态的能量,则自旋翻转的概率由初态能量和势垒的能量决定。并且以Stoner-Wohlfarth模型为例,解决了和此算法相关的能量区域的判定问题。2)采用标准的蒙特卡罗方法,使用自旋为1/2的Ising模型,模拟研究了二维三角和三维六角密堆晶格结构的阻挫反铁磁体的磁化行为和磁熵变。结果表明,在低温下二维系统的磁化行为随外磁场变化会表现出一个1/3平台,而三维情况下的磁化行为会表现出0和1/2两个平台。通过对其微观自旋构型的分析得知,两种磁化行为的差异是由于引入了层间的交换作用造成的。同时,在研究系统磁熵变的行为时,我们观察到在低温下系统可能存在着正磁熵变,表明此时当外加磁场时,发生了吸热的现象。而当温度升高到一定程度时,系统将处于顺磁态,此时无论施加多大的外磁场都不会再出现正磁熵变现象。通过对相同温度相同磁场范围下的磁化行为和磁熵变结果的对照,我们发现了二者之间存在着一种特殊的映射关系,即磁化平台的开始点处的外磁场值刚好对应到磁熵变曲线中负磁熵变取得极大值的位置；而磁化平台的结束点位置的外磁场值又正好映射到磁熵变曲线中正磁熵变开始点的地方。说明在低温下当施加一个外磁场时,系统的内部发生了由外磁场所诱导的磁相转变,也表明正磁熵变现象出现的原因是由于系统内部存在着很强的阻挫效应造成的。因此,对阻挫的反铁磁体的研究,将为寻找优质的室温磁制冷工质开辟一个更广阔的领域。3)采用改进的蒙特卡罗方法,使用经典的Heisenberg模型,分别模拟了两种磁性结构下的铁磁/反铁磁的核-基底系统,研究了其交换偏置现象和矫顽力受冷却场和界面耦合大小的影响。结果表明,当界面为反铁磁耦合时,随着冷却场的增大交换偏置会从负值逐渐变化到正值。而对于铁磁界面耦合的情况,交换偏置随冷却场变化不明显,且其值恒为负。这些现象均是由于反铁磁表面净剩磁对铁磁自旋的钉扎作用造成的。通过对经两种强度的冷却场降温后系统交换偏置随界面耦合大小的变化关系研究可知,当界面为反铁磁耦合时,两个模型在经弱磁场降温后,它们的交换偏置在强界面耦合情况下,仍然可能为负值,这是由于反铁磁表面出现了负的净剩磁造成的,而在经强磁场降温后,交换偏置始终为正且其值随界面耦合增强而增大。但是,当界面为铁磁耦合时,系统交换偏置随界面耦合大小的变化关系受冷却场的影响很小,其值均随界面耦合增强而增大,且符号恒为负。在本系统中矫顽力受冷却场和界面耦合大小的变化趋势不是很明显,但从其与界面耦合大小的关系曲线中可以发现,其值几乎相对于零界面耦合值轴对称,可见其大小还是受到了反铁磁的影响。4)从对两个核-：基底结构系统的比较中可以发现,交换偏置和矫顽力在两种系统中随冷却场和界面耦合大小的变化趋势几乎一致。铁磁核-反铁磁基底系统的交换偏置现象很明显,但是矫顽力很小；而反铁磁核-铁磁基底系统的矫顽力很大,但交换偏置现象相对不明显。这是因为在前者中,铁磁核由于尺寸很小几乎始终处于一种单畴的状态,且足够大的反铁磁基底能够钉扎住铁磁自旋,而后者铁磁基底由于大的尺寸使其不可能再保持单畴态,且尺寸小的反铁磁核不足以完全钉扎住铁磁自旋。基于此,我们可以根据实际磁记录材料的需要而有目的的设计模型。尽管如此,如果铁磁与反铁磁之间的耦合作用过于强时,在测量的过程中由于受到铁磁自旋的影响,反铁磁的内部构型也可能发生改变从而影响交换偏置现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 物质磁性的起源和分类
• 1.1.1 物质磁性的起源
• 1.1.2 物质磁性的分类
• 1.1.2.1 抗磁性（Diamagnetism）
• 1.1.2.2 顺磁性（Paramagnetism）
• 1.1.2.3 反铁磁性（Antiferromagnetism）、铁磁性（Ferromagnetism）、亚铁磁性（Ferrimagnetism）
• 1.2 自旋阻挫系统概述
• 1.3 磁制冷及自旋阻挫系统在其中的应用
• 1.3.1 磁制冷的基本原理
• 1.3.2 磁制冷工质的选择
• 1.3.3 自旋阻挫系统在磁制冷中的应用
• 1.4 自旋阻挫系统的交换偏置现象及其在磁记录中的应用
• 1.4.1 交换偏置
• 1.4.2 磁记录及交换偏置在其中的应用
• 1.4.2.1 磁记录工作原理
• 1.4.2.2 三种记录模式及其特性
• 1.4.2.3 自旋阻挫系统的交换偏置在磁记录中的应用
• 1.5 本论文的研究目的及内容
• 第二章 计算机模拟方法与经典理论模型
• 2.1 计算机模拟方法
• 2.1.1 计算机模拟技术的优势
• 2.1.2 计算机模拟中模型的空间尺度及其对应的模拟方法
• 2.2 蒙特卡罗（Monte Carlo）方法
• 2.3 所研究系统的哈密顿量与Monte Carlo方法
• 2.3.1 考察自旋阻挫在磁制冷应用上所选用的模型及Monte Carlo方法
• 2.3.2 考察自旋阻挫在磁记录应用上所选用的模型及Monte Carlo方法
• 第三章 改进的蒙特卡罗Metropolis算法
• 3.1 目前模拟中常用的改进的Metropolis算法
• 3.1.1 局域蒙特卡罗方法（Local Monte Carlo method）
• 3.1.2 两态模型（Two-State Model）
• 3.2 本论文中在研究Heisenberg模型时使用的蒙特卡罗Metropolis算法
• 3.2.1 本论文中使用的Metropolis算法
• 3.2.2 自旋的能量概述
• 3.2.3 三维直角坐标系的旋转变换
• 3.3 本论文中研究Heisenberg模型时的Monte Carlo模拟过程
• 第四章 Ising反铁磁系统模拟结果与讨论
• 4.1 二维三角晶格反铁磁Ising阻挫系统
• 4.1.1 二维系统的磁化行为
• 4.1.2 二维系统的磁熵变
• 4.2 三维六角密堆晶格反铁磁Ising阻挫系统
• 4.2.1 三维系统的磁化行为
• 4.2.2 三维系统的磁熵变
• 第五章 Heisenberg核-基底系统模拟结果与讨论
• 5.1 铁磁核-反铁磁基底阻挫系统模拟结果与讨论
• 5.1.1 冷却场大小对交换偏置现象及矫顽力的影响
• 5.1.2 界面耦合大小对交换偏置现象及矫顽力的影响
• 5.2 反铁磁核-铁磁基底阻挫系统模拟结果与讨论
• 5.2.1 冷却场大小对交换偏置现象及矫顽力的影响
• 5.2.2 界面耦合大小对交换偏置现象及矫顽力的影响
• 5.3 两种系统的比较
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文