自旋玻璃簡介

1、自自 旋旋 玻玻 璃璃 簡簡 介介Introduction to Spin Glass自自 旋旋 玻玻 璃璃自旋組成的自旋組成的“玻璃玻璃”，即一種取向無序的自旋系統(tǒng)，即一種取向無序的自旋系統(tǒng) 其一,“玻璃”二字形容自旋方向的無規(guī)分布; 其二,自旋凍結(jié)過程與融熔玻璃固化的過程類似, 沒有嚴格的凝固溫度研究對象：一些含大量局域磁矩的金屬或合金研究對象：一些含大量局域磁矩的金屬或合金 、氧、氧化物等化物等玻璃玻璃無序無序受挫受挫無序無序自旋玻璃自旋玻璃自自 旋旋 玻玻 璃璃自旋玻璃兩大特點：自旋玻璃兩大特點：受挫者，不順利也；其反義詞即順利，或順其自然受挫者，不順利也；其反義詞即順利，或順其自然能

2、量低的狀態(tài)就是順其自然能量低的狀態(tài)就是順其自然兩磁矩之間的交換作用兩磁矩之間的交換作用: J0，兩磁矩方向一致時能量降低，兩磁矩方向一致時能量降低 J0，兩磁矩方向相反時能量降低，兩磁矩方向相反時能量降低 自自 旋旋 玻玻 璃璃 之之 受受 挫挫三磁矩相互作用三磁矩相互作用 J0，三自旋方向一致時能量最低，穩(wěn)定基態(tài)，三自旋方向一致時能量最低，穩(wěn)定基態(tài) J0，三自旋不可能都是反向排列，總有一對自旋是同向，三自旋不可能都是反向排列，總有一對自旋是同向的，系統(tǒng)處于受挫狀態(tài)的，系統(tǒng)處于受挫狀態(tài)自自 旋旋 玻玻 璃璃 之之 受受 挫挫受挫系統(tǒng)的特點受挫系統(tǒng)的特點: 它沒有一個能量最低的穩(wěn)定態(tài)，在低溫下，

3、它可能存在它沒有一個能量最低的穩(wěn)定態(tài)，在低溫下，它可能存在于無數(shù)個亞穩(wěn)的組態(tài)之中于無數(shù)個亞穩(wěn)的組態(tài)之中 相鄰的兩個組態(tài)在系統(tǒng)總能量上只有微小差別，甚至沒有相鄰的兩個組態(tài)在系統(tǒng)總能量上只有微小差別，甚至沒有差別差別自旋玻璃系統(tǒng)自由能特征決定它在低溫下只能處自旋玻璃系統(tǒng)自由能特征決定它在低溫下只能處于某種于某種亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)自自 旋旋 玻玻 璃璃 之之 受受 挫挫自自 旋旋 玻玻 璃璃 之之 無無 序序 自旋玻璃是一種取向無序的自旋體系，磁矩間的相互作用自旋玻璃是一種取向無序的自旋體系，磁矩間的相互作用大于熱運動時，磁矩就不能自由轉(zhuǎn)動，即大于熱運動時，磁矩就不能自由轉(zhuǎn)動，即“凍結(jié)凍結(jié)”起來起來. 自

4、自旋玻璃凍結(jié)的磁矩無規(guī)則分布，且旋玻璃凍結(jié)的磁矩無規(guī)則分布，且凍結(jié)在各自的擇優(yōu)方向凍結(jié)在各自的擇優(yōu)方向上上 在這類磁系統(tǒng)中，在這類磁系統(tǒng)中，磁矩之間存磁矩之間存在著鐵磁相互作用與反鐵磁相互在著鐵磁相互作用與反鐵磁相互作用的競爭作用的競爭 隨著溫度的降低，整個磁矩系隨著溫度的降低，整個磁矩系統(tǒng)的取向狀態(tài)經(jīng)歷一個較為復(fù)雜統(tǒng)的取向狀態(tài)經(jīng)歷一個較為復(fù)雜的過程，最終凍結(jié)為自旋玻璃態(tài)的過程，最終凍結(jié)為自旋玻璃態(tài) 自自 旋旋 玻玻 璃璃 之之 無無 序序 從時間坐標軸上看，每個磁矩凍結(jié)在固定的方向而失去轉(zhuǎn)動的自由度 從空間坐標上看，各個磁矩的凍結(jié)方向是無序的v 在自旋玻璃體系中在自旋玻璃體系中,隨機性或無序

5、性是必不可少的隨機性或無序性是必不可少的v 混合相互作用是產(chǎn)生競爭和保證協(xié)作性凍結(jié)過程的本質(zhì)混合相互作用是產(chǎn)生競爭和保證協(xié)作性凍結(jié)過程的本質(zhì)v 受挫是無序和混合作用的直接結(jié)果受挫是無序和混合作用的直接結(jié)果自自 旋旋 玻玻 璃璃組態(tài)相空間中自由能組態(tài)相空間中自由能“地形圖地形圖”的比較的比較 對于鐵磁或反鐵磁系統(tǒng)，當對于鐵磁或反鐵磁系統(tǒng)，當T低于相變溫低于相變溫度時，只有一種組態(tài)的能量最低，這個組態(tài)度時，只有一種組態(tài)的能量最低，這個組態(tài)就是所有的磁矩平行排列或相鄰磁矩反平行就是所有的磁矩平行排列或相鄰磁矩反平行排列，從而形成長程磁有序排列，從而形成長程磁有序. 在高溫下在高溫下,無論無論鐵磁系統(tǒng)

6、還是自旋玻璃系統(tǒng)均為順磁態(tài)，各鐵磁系統(tǒng)還是自旋玻璃系統(tǒng)均為順磁態(tài)，各個組態(tài)對應(yīng)的能量基本上相同個組態(tài)對應(yīng)的能量基本上相同自自 旋旋 玻玻 璃璃組態(tài)相空間中自由能組態(tài)相空間中自由能“地形圖地形圖”的比較的比較 當溫度降至凍結(jié)溫度當溫度降至凍結(jié)溫度Tf附近時，磁矩之間的相互作用開附近時，磁矩之間的相互作用開始明顯起來，它們之間的相對取向?qū)ο到y(tǒng)的能量有影響，始明顯起來，它們之間的相對取向?qū)ο到y(tǒng)的能量有影響，導(dǎo)致系統(tǒng)不同的組態(tài)具有不同的自由能導(dǎo)致系統(tǒng)不同的組態(tài)具有不同的自由能. 自由能圖出現(xiàn)高自由能圖出現(xiàn)高低不平的低不平的“丘陵丘陵”，溫度越低，磁矩之間的相互作用越強，溫度越低，磁矩之間的相互作用越強

7、，“丘陵丘陵”變成變成“山峰山峰”和和“低谷低谷” 當自旋玻璃系統(tǒng)從高溫降到當自旋玻璃系統(tǒng)從高溫降到Tf以下，它可能隨機地落入以下，它可能隨機地落入某一個某一個“低谷低谷”，再升溫后降溫，又可能落入另一個，再升溫后降溫，又可能落入另一個“低低谷谷”. 剛開始落入剛開始落入“低谷低谷”時一般不一定在能量最低的組時一般不一定在能量最低的組態(tài)上，因而隨著時間的推移系統(tǒng)逐漸向更低能量的組態(tài)靠態(tài)上，因而隨著時間的推移系統(tǒng)逐漸向更低能量的組態(tài)靠近近 自旋玻璃有不少奇特的性質(zhì)與它在微觀組態(tài)上的特征密自旋玻璃有不少奇特的性質(zhì)與它在微觀組態(tài)上的特征密切相關(guān)，如磁化過程受樣品歷史的影響，磁弛豫現(xiàn)象等切相關(guān)，如磁化

8、過程受樣品歷史的影響，磁弛豫現(xiàn)象等自自旋旋玻玻璃璃行行為為凍結(jié)溫度以上凍結(jié)溫度以上: :遵循居里外斯定律遵循居里外斯定律遠低于凍結(jié)溫度遠低于凍結(jié)溫度: :交換偏置現(xiàn)象交換偏置現(xiàn)象凍結(jié)溫度附近凍結(jié)溫度附近:直直/交流磁化率變化交流磁化率變化自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性對于自旋玻璃，其磁矩是在某個溫度以下開始凍結(jié) 這個溫度被稱為凍結(jié)溫度Tf高溫順磁磁化率服從居里外斯定律高溫順磁磁化率服從居里外斯定律 當實驗溫度遠高于自旋玻璃體系的凍結(jié)溫度時樣品處于順磁態(tài)，磁化率遵循居里外斯定律：TC順磁距離溫度；不為零，表明磁矩間有相互作用C居里外斯常數(shù), BeffNC32BeffJJg2

9、/1)1(當軌道角動量淬滅時,有效玻爾磁子數(shù) 2/1)1(SSgp自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性直流磁化率直流磁化率 零場冷卻零場冷卻ZFC和帶場冷卻和帶場冷卻FC的磁化率有明顯的差別：的磁化率有明顯的差別： 在凍結(jié)溫度以上在凍結(jié)溫度以上, 兩種磁化率隨溫度的變化曲線是重合的；兩種磁化率隨溫度的變化曲線是重合的； 但從凍結(jié)溫度開始，隨著溫度的降低，但從凍結(jié)溫度開始，隨著溫度的降低，ZFC磁化率逐步減磁化率逐步減小，而小，而FC磁化率幾乎保持不變磁化率幾乎保持不變 即即,在凍結(jié)溫度處在凍結(jié)溫度處ZFC的磁化率和的磁化率和FC的磁化率發(fā)生了分叉的磁化率發(fā)生了分叉自自 旋旋 玻

10、玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性超超 順順 磁磁 性性超順磁性超順磁性(superparamagnetisim, SPM)：鐵磁性物質(zhì)的顆粒小于臨界尺寸時，外場產(chǎn)生的磁取向力不足以抵抗熱擾動的干擾，其磁化性質(zhì)與順磁體相似，稱為超順磁性其特點其特點：磁化曲線與鐵磁體不同，沒有磁滯現(xiàn)象當去掉外磁場后，剩磁很快消失如以H/T為坐標軸，不同溫度的磁化曲線合而為一，可用順磁體的磁化公式(朗之萬函數(shù)或布里淵函數(shù))表示磁化率一般比順磁體大很多超超 順順 磁磁 性性 與與 自自 旋旋 玻玻 璃璃 區(qū)區(qū) 別別 v FCM與與ZFCM間差別遠在間差別遠在TP(峰值溫度峰值溫度)以下，而以下，而SG的差別在的

11、差別在Tg以下就開始以下就開始v FCM隨溫度降低單調(diào)增加，而隨溫度降低單調(diào)增加，而SG的在的在Tg以下幾乎保持不變以下幾乎保持不變v FC與與ZFC的磁化率隨磁場增大而減小，且的磁化率隨磁場增大而減小，且TP移向低溫處，而移向低溫處，而SG的的ZFC磁化率在磁化率在Tg附近僅有輕微的減小附近僅有輕微的減小經(jīng)典經(jīng)典SPM與與SG差別：差別：LaBa1-xCoxO3的ZFC/FC曲線超順磁特性自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性LaSr1-xCoxO3的ZFC/FC曲線此二樣品規(guī)律：此二樣品規(guī)律：低于低于TC時時ZFC出現(xiàn)尖峰，且隨出現(xiàn)尖峰，且隨Sr含量含量減少而降低減少而降低但

12、不同于經(jīng)典但不同于經(jīng)典SG，分叉，分叉/不可逆溫度不可逆溫度TirrTf 氧化物中的自旋玻璃氧化物中的自旋玻璃自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性LaSr1-xCoxO3的ZFC/FC曲線vFC曲線符合Brillouin型vZFC曲線M值較低，低于TC520K左右 峰值TA下單調(diào)變化 鐵磁団簇模型(短程有序)此三樣品規(guī)律：此三樣品規(guī)律：低于低于TC時時ZFC出現(xiàn)尖峰，且隨出現(xiàn)尖峰，且隨Sr含量含量減少而降低減少而降低但不同于經(jīng)典但不同于經(jīng)典SG，分叉，分叉/不可逆溫度不可逆溫度TirrTf 氧化物中的自旋玻璃氧化物中的自旋玻璃自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性

13、LaSr1-xCoxO3的ZFC/FC曲線vFC曲線符合Brillouin型vZFC曲線M值較低，低于TC520K左右 峰值TA下單調(diào)變化 鐵磁団簇模型(短程有序)此三樣品規(guī)律：此三樣品規(guī)律：低于低于TC時時ZFC出現(xiàn)尖峰，且隨出現(xiàn)尖峰，且隨Sr含量含量減少而降低減少而降低但不同于經(jīng)典但不同于經(jīng)典SG，分叉，分叉/不可逆溫度不可逆溫度TirrTf 氧化物中的自旋玻璃氧化物中的自旋玻璃臨界摻雜樣品臨界摻雜樣品 交流磁化率是樣品的磁矩隨著外磁場轉(zhuǎn)動所引起的交流磁化率是樣品的磁矩隨著外磁場轉(zhuǎn)動所引起的.自旋玻璃體系對小自旋玻璃體系對小的外磁場特別敏感的外磁場特別敏感,測量過程中測量過程中,自旋玻璃的

14、交流磁化率表現(xiàn)出一些特殊的自旋玻璃的交流磁化率表現(xiàn)出一些特殊的性質(zhì)性質(zhì). 在凍結(jié)溫度以上熱運動大于磁矩之間的相互作用在凍結(jié)溫度以上熱運動大于磁矩之間的相互作用,各磁矩轉(zhuǎn)動自由各磁矩轉(zhuǎn)動自由.接近凍結(jié)溫度時接近凍結(jié)溫度時,磁矩之間的相互作用大于熱運動磁矩之間的相互作用大于熱運動,它使各磁矩轉(zhuǎn)動時需要它使各磁矩轉(zhuǎn)動時需要克服一個位壘的作用克服一個位壘的作用 在自旋玻璃體系中由于磁矩分布無序在自旋玻璃體系中由于磁矩分布無序,所以位壘不是常數(shù)而是溫度的函數(shù)所以位壘不是常數(shù)而是溫度的函數(shù),它隨溫度的降低而急劇增大它隨溫度的降低而急劇增大,所以交流磁化率在凍結(jié)溫度處出現(xiàn)尖峰所以交流磁化率在凍結(jié)溫度處出現(xiàn)尖

15、峰.自旋自旋玻璃的交流磁化率最顯著的特征是在凍結(jié)溫度處出現(xiàn)尖峰玻璃的交流磁化率最顯著的特征是在凍結(jié)溫度處出現(xiàn)尖峰交流磁化率交流磁化率 若在測量交流磁化率時，同時加一個直流背景場，即使背景場很小，也會若在測量交流磁化率時，同時加一個直流背景場，即使背景場很小，也會使交流磁化率的尖峰抹平使交流磁化率的尖峰抹平自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性Slowing Down 理論模型理論模型 TSG 頻率趨于零時的凍結(jié)溫度 弛豫時間,與f-1成正比 自旋玻璃特征時間常量10-1010-12 動態(tài)指數(shù),不同體系其值在412間304050600.51.01.52.02.5-0.95 -0.9

16、0 -0.85 -0.80 -0.75 -0.701.52.02.53.03.54.0 log10(f)x=0.15 =1.6910-12sz=log10(Tf-TSG)/TSG)TSG=35.15K T (K) f=51Hz f =502Hz f=1001Hz f=5002Hz f=9997Hz(emu/mole)自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性Nd0.85Sr0.15CoO3交流磁化率實部變化曲線，插圖為擬合曲線Vogel-Fulcher 理論模型理論模型自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性39.039.540.040.541.041.542.04567

17、8910 lnfTf =1.94*10-12sTSG=30.26KEa=207.4kBx=0.15Nd0.85Sr0.15CoO3交流磁化率實部變化曲線，插圖為擬合曲線=1.94*10-12s=207.4=30.26K磁化強度的特點磁化強度的特點 通過磁化強度的測量可以探知體系磁矩的分布情況 在不加外場的情況下，材料內(nèi)部的磁矩混亂排列，磁矩取向是無規(guī)則分布的,宏觀磁化強度為零. 當材料處于外加磁場中時，材料內(nèi)部的磁矩受磁場的作用，影響磁矩的方向，使其在一定程度上轉(zhuǎn)向外場，出現(xiàn)宏觀磁化強度. 對于鐵磁體磁場強度達到一定程度以后，磁化強度趨于飽和 自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性

18、性對于自旋玻璃體系，無論磁場強度多大，自旋玻璃的磁矩都對于自旋玻璃體系，無論磁場強度多大，自旋玻璃的磁矩都不可能完全趨于一致不可能完全趨于一致. 這是因為磁矩之間相互制約的交換作用這是因為磁矩之間相互制約的交換作用抵制了外磁場的影響，使體系處于凍結(jié)狀態(tài)抵制了外磁場的影響，使體系處于凍結(jié)狀態(tài)弛豫現(xiàn)象和時間效應(yīng)弛豫現(xiàn)象和時間效應(yīng) 自旋玻璃態(tài)是一種非平衡態(tài)自旋玻璃態(tài)是一種非平衡態(tài),而弛豫和時效是非平衡系統(tǒng)的基本現(xiàn)象而弛豫和時效是非平衡系統(tǒng)的基本現(xiàn)象,它是系它是系統(tǒng)在大量亞穩(wěn)態(tài)之間演變的結(jié)果統(tǒng)在大量亞穩(wěn)態(tài)之間演變的結(jié)果弛豫現(xiàn)象和時間依賴關(guān)系的兩種常規(guī)測試方法：弛豫現(xiàn)象和時間依賴關(guān)系的兩種常規(guī)測試方法：

19、在零場條件下將樣品冷卻到凍結(jié)溫度以下，等待一段時間后施加外磁在零場條件下將樣品冷卻到凍結(jié)溫度以下，等待一段時間后施加外磁場，然后測量場，然后測量M(t)在外場下從室溫冷卻到凍結(jié)溫度以下，在此溫度帶場等待一段時間，在外場下從室溫冷卻到凍結(jié)溫度以下，在此溫度帶場等待一段時間，然后將外場降到零，隨后測量磁化強度隨時間的變化然后將外場降到零，隨后測量磁化強度隨時間的變化 對于自旋玻璃體系對于自旋玻璃體系,帶場條件下測得的磁化強度會隨著時間的增加而減少帶場條件下測得的磁化強度會隨著時間的增加而減少 在零場條件下測得的磁化強度會隨時間的增加而增加在零場條件下測得的磁化強度會隨時間的增加而增加自自 旋旋 玻

20、玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性磁弛豫中的磁弛豫中的aging效應(yīng)效應(yīng)La0.82Sr0.18CoO3在60K時不同等待時間的M(t)曲線 將樣品從300K冷場降到60K，一段等待時間tW后，加上一個10Oe磁場測量磁矩和時間的關(guān)系 隨著時間的增加，樣品磁矩先是較快增加，然后增加速率逐漸減小。但是，即使測量時間已經(jīng)達到萬秒量級，磁矩仍沒飽和，即存在長時間的磁矩弛豫行為擴展擴展E指數(shù)進行描述指數(shù)進行描述自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性引入弛豫速率概念引入弛豫速率概念1：La0.82Sr0.18CoO3在60K時St曲線 弛豫速率S在某個時間點呈現(xiàn)極大值，且這個時間和等待時間相等，即樣品存在aging效應(yīng)引入弛豫速率概念引入弛豫速率概念2：自自 旋旋 玻玻 璃璃 的的 物物 理理 特特 性性 不同溫度下的n值均接近1，表明団簇間的相互作用比較強 隨測量溫度的增加，n并不是一個常數(shù)，這與典型SG不同，須用鈷氧化物的相分離解釋La0.82Sr0.18CoO3弛豫速率W在不同溫度下的衰減曲線系統(tǒng)的弛豫速率按冪指數(shù)法則衰減交換偏置現(xiàn)象交換偏