Magnetismus - DESY Photon Science
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Magnetismus Magnetismus Magnetismus Ursache des Magnetismus Atomarer Magnetismus: Spin und Bahn Verhalten in einem externen Feld Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Moderne Anwendungen Einführung in die Struktur der Materie 353 Magnetismus Atomarer Magnetismus Bahnmoment µl = I · A durch den klassischen Ringstrom I die eingeschlossene Fläche A Spin des Elektrons als quantenmechanische Größe erzeugt ein Spinmoment µS m Spin µS µL m Orbit e~ = gs Sz µB = 2Sz µB = 2Sz 2me = Lz µB (182) (183) Hund’sche Regel: Grundzustand hat einen maximalen Spin Einführung in die Struktur der Materie 354 Magnetismus Atomarer Magnetismus Fe 4s2 3d 6 Mn 4s2 3d 5 4s2 4s2 ↑↓ ↑↓ 3d 6 3d 6 ↑↑↑↓↓↓ ↑↑↑↑↑↓ M=0 M=4 µB L=2 µB 4s2 ↑↓ 3d 5 ↑↑↑↑↑ M=5 µB L=0 µB Momente der 3d Metallatome in µB Sc 3d 1 4s2 1 Ti 3d 2 4s2 2 V 3d 3 4s2 3 Cr 3d 5 4s1 6 Mn 3d 5 4s2 5 Fe 3d 6 4s2 6 Co 3d 7 4s2 3 Ni 3d 9 4s2 2 Cu 3d 10 4s1 1 Im Festkörper wird das Bahnmoment sehr stark unterdrückt und es wird quasi nur das Spinmoment beobachtet Einführung in die Struktur der Materie 355 Magnetismus Diamagnetismus Induziert durch ein äußeres Feld Die Magnetisierung ist dem äußeren Feld entgegen gesetzt Klassische Elektrodynamik: Lenz’sche Regel M = χ · B mit χ < 0 Einführung in die Struktur der Materie 356 Magnetismus Paramagnetismus Induziert durch ein äußeres Feld Die Magnetisierung hat die gleiche Richtung wie das äußere Feld Verstärkung des äußeren Magnetfeldes Tritt auf bei Atomen, Molekülen oder Ionen mit einer ungeraden Zahl von Elektronen M = χ · B mit χ > 0 Einführung in die Struktur der Materie 357 Magnetismus Ferro- und Antiferromagnetismus Spontaner Magnetismus, der auch unabhängig von einem externen Feld beobachtet wird Parallele bzw. antiparallele Anordnung der einzelnen Spin’s relativ zueinander Einführung in die Struktur der Materie 358 Magnetismus Ferromagnetismus Wie läßt sich die (anti-)ferromagnetische Ordnung erklären ? Wechselwirkung der Spins Si und Sj zwischen zwei Atomen i und j über die quantenmechanische Austauschwechselwirkung (siehe z.B. H2 Molekül) → Austauschenergie: Heisenberg-Modell (Operator) H = −2 J Si · Sj (184) J kann sowohl positiv als auch negativ sein ⇒ Ferro- bzw. Antiferromagnetismus J hängt mit der Ordnungstemperatur zusammen: Curie bzw. Neel-Temperatur Einfaches Modell (Molekularfeldnäherung) liefert 3kB T J= 2zS(S + 1) (185) z: Zahl der nächsten Nachbarn Einführung in die Struktur der Materie 359 Magnetismus Ferromagnetismus – Temperaturabhängigkeit Nur bei T = 0 sind die Spin vollständig ausgerichtet Bei höheren Temperaturen sind sie nur teilweise ausgerichtet Diese Ordnungstemperatur ist die Curie Temperatur Einführung in die Struktur der Materie 360 Magnetismus Ferromagnetismus Oberhalb der Curie Temperatur TC verschwindet die ferromagnetische Ordnung und das Material verhält sich paramagnetisch Const χ= T − TC (186) Im Fall des Antiferromagnetismus heißt die Ordnungstemperatur Neel Temperatur Einführung in die Struktur der Materie 361 Magnetismus Ferromagnetismus Was passiert beim Ummagnetisieren in der Hyteresekurve ? Richtung des Kristalls spielt eine Rolle: Anisotropie der Magnetisierung Einführung in die Struktur der Materie 362 Magnetismus Domänenwände Einführung in die Struktur der Materie 363 Magnetismus Magnetische Werkstoffe Einführung in die Struktur der Materie 364 Magnetismus Ferromagnetismus – Bandstruktur Was ist die elektronische Ursache des Ferromagnetismus ? Die Austauschaufspaltung für dazu, daß die Bandstruktur für ↑ und ↓ Elektronen anders ist Verschiebung der Bandstruktur um die Austauschaufspaltung J Dadurch gibt es mehr Elektronen von einem Spin (Majoritätsträger) als dem anderen (Minoritätsträger) und die Summe über alle Spins ist nicht Null Lage der Fermi Energie wichtig + n 1/2 IM EF E − n Einführung in die Struktur der Materie 1/2 IM 365 Magnetismus Ferromagnetismus – Bandstruktur Einführung in die Struktur der Materie 366 Magnetismus Ferromagnetismus – Anisotropie Was ist die Ursache der magnetischen Anisotropie und wie wichtig ist sie ? Nanoteilchen zeigen Superparamagnetismus: Die Spins sind wie bei einem Ferromagneten ausgerichtet, sind jedoch nicht an die Kristallstruktur gekoppelt, sondern rotieren frei Keine Kopplung an die Geometrie Einführung in die Struktur der Materie 367 Magnetismus Magnetische Anisotropie Magnetic Anisotropy K Wie wird aus Superparamagnetismus Ferromagnetismus ? Es muß eine Anisotropieenergie EA = K · V geben, die die magnetischen Momente durch eine Kopplung an die geometrische Struktur stabilisiert K : Anisotropiekonstante, V Volumen Ferromagnetismus: EA > kB · T Einführung in die Struktur der Materie 368 Magnetismus Magnetische Anisotropie Geometrische Anisotropie ist durch die Kristallstruktur gegeben Anisotropes Kristall(Coulomb-)feld Der Spin koppelt nicht an das Kristallfeld, da mit dem Spin keine elektrische Ladung verbunden ist Modell: Anisotropie ist mit dem Bahnmoment µL verknüpft Einführung in die Struktur der Materie 369 Magnetismus Magnetismus Spintronik GMD Effekt – Hoch effektive Festplatten senkrechte Magnetisierung – kleinere Magnetbereiche Nanotechnologie Einführung in die Struktur der Materie 370 Magnetismus Giant Magnetic Resistance Einführung in die Struktur der Materie 371 Magnetismus Magnetische Aufzeichnung Einführung in die Struktur der Materie 372 Magnetismus Magnetismus Anwendung Einführung in die Struktur der Materie 373 Magnetismus Magnetismus Out Of Plane Recording Gezielte Präparation einer magnetischen Out Of Plane Anisotropie In plane Magnetisierung: Out Of Plane Magnetisierung Vergrößerung der Speicherdichte, bei gleichem Volumen der magnetischen Speicherdomänen Einführung in die Struktur der Materie 374 Magnetismus Magnetische Aufzeichnung Einführung in die Struktur der Materie 375
