[科普中国]-磁激子

磁激子又称自旋波，是指序磁性(铁磁、亚铁磁、反铁磁)体中相互作用的自旋体系由于各种激发作用引起的集体运动，是磁性体中的一种准粒子。

概述磁激子又称自旋波，自旋波理论是1930年布洛赫首先提出的，是固体中一种重要的元激发，是由局域自旋之间存在交换作用而引起的，是体系中自旋的整体运动1。

作为平均场的近似,分子场理论成功地描述了强磁性物质的自发磁化行为,但在低温下和居里点附近,该理论与实验出现明显的偏差,在居里点附近,热运动破坏了宏观的磁有序,但由于交换作用是一种很强的近距离作用,因此还可能保持着近程的自旋关联.在低温下,交换作用又显示出长程关联的性质,体系呈现了很强的磁有序,自旋波理论从体系整体激发的概念出发,很好地解释了自发磁化在低温下的行为。

物理图像在这里，我们讨论一个简单的情况。设有由N个格点组成的自旋体系，每个格点的自旋为s=1/2，这些格点组成简单的布洛赫格子。只考虑最近邻格点之间的交换作用，并假设相邻自旋间的交换作用均相同（A>0），则体系的交换作用哈密顿量为：（1），其中表示求和遍及所有的最近邻对。

在绝对零度（T=0K）下，热力学第三定律要求自旋体系呈现完全的有序。对所假设的铁磁体系（A>0），所有的自旋应平行排列。每个格点自旋量子数均取最大值S。体系的总磁矩为这时总能量为最低，体系处于基态。

现在稍微升高体系的温度，使体系中能够有一个自旋发生翻转。这时将发生什么现象呢？如果这个翻转的自旋出现在某一个格点上，由于相邻格点间的交换作用有使自旋同向排列的趋势，一方面翻转了的自旋将牵动近邻格点的自旋，使它们趋于翻转；另一方面，近邻格点的自旋又力图驱使翻转了的自旋重新翻转回来。由此可见，自旋的翻转不会停留在一个格点上，而是要一个传一个，以波的形式向周围传播，直至弥散到整个晶体。我们把这种自旋翻转在晶体中的传播成为自旋波（磁激子）。

这种波对于我们来说并不陌生,在固体物理学的课程中，曾讨论过晶格振动的传播。在基态下，,每个格点的原子处于其平衡位置上，如果有一个原子受到某种扰动而偏离了平衡位置，那么由于周围原子所产生的恢复力，将迫使它回到平衡位置去，再由于原子自身的惯性而形成在平衡位置附近的微小振动，这就是晶格振动。这种振动通过相邻原子之间的静电关联，一个牵动一个而向周围传播。我们把这种晶格振动的传播称做格波(或声子)。可以看出,自旋波和格波是十分相似的。它们同属于晶体的元激发。

在格波中，所有格点的晶格振动都是等价的，它们具有相同的振动振幅和频率，平均地分摊着体系的能量，相邻格点的振动相差一个固定的相位，显示出波的性质，格波的能量是量子化的，又显示出粒子的特性，波矢k的取值是间断的，取决于边界条件，在自旋波中，上述性质均可以找到相应的类比。

在自旋体系中，所有格点都是等价的。因此,每个格点的自旋应当有相同的翻转概率,这个概率为1/N。如果整个体系存在一个翻转的自旋。那么在每个格点找到这个翻转自旋的概率应当是相等的。这种情况也可等价地看作所有格点的自旋在量子化轴方向的投影都减小了2S/N,而相应的体系总磁矩则减小为，因自旋的翻转，增加了体系的交换作用能。这一能量的增量同样是均匀地分摊在体系的所有格点上，呈现出波的特点。

本词条内容贡献者为:

韩拯 - 研究员 - 中国科学院金属研究所