導入
反強磁性は、特定の磁気媒体の特性です。この記事では、磁性の原因となる電子が電子伝導に関与しない、局所的な反強磁性のみを扱います。電子が動き回ることで反強磁性と似た状態を観測することも可能で、これはスピン密度波と呼ばれます。
反強磁性媒体では、局所的な電子スピン間の交換相互作用により、最近隣のスピンが同じ方向に、逆の向きに整列する傾向があります。多くの遷移金属酸化物およびハロゲン化物は反強磁性です。反強磁性を示す有機固体もあります。強磁性の場合とは異なり、反強磁性系の基底状態は、その次元、電子磁気モーメントの全スピン、および幾何学的フラストレーションの存在に依存します。
ネール勲章
最も単純なケース (十分な高次元性と幾何学的フラストレーションの欠如) では、基底状態はネール秩序を示します。この場合、スピン系は 2 つのサブ格子に分解されます。たとえば、サブネットワークの 1 つのサイトごとの磁化はMであり、他のサブネットワークのは– Mです。この順序は、磁気の半古典モデルに基づいて 1936 年にフランスの物理学者ルイ ニールによって提案されました。この理論により彼は 1970 年にノーベル賞を受賞しました。
量子の場合の難しさ
量子の場合、ネールの古典的な扱いから始めて、一方の副格子上のすべてのスピンがS z = + S状態にあり、もう一方の副格子上のすべてのスピンが状態になるような量子スピンの波動関数を構築できます。サブネットワークはS z = − Sの状態にあります。この波動関数はネール状態と呼ばれます。ただし、ネール状態は、スピンの量子力学を記述するハイゼンベルグ ハミルトニアンの正確な固有状態ではありません。特に、反強磁性ハイゼンベルグ ハミルトニアンの正確な固有状態はゼロ全スピン状態 (Marshall 1955; Lieb and Mattis, 1962; Lieb 1989) である一方、ネール状態は回転に対して不変ではないことが示されています。ネール状態が正確な固有状態ではないという事実から、サイトごとの交番磁化は量子ゆらぎによって減少し、常にSより小さくなります。ネール状態付近のこれらの変動は、(強磁性の場合とは異なり) T=0 でも存在するマグノンとして説明できます。交番磁化の減少は、スピンが小さく、次元が低い場合に特に大きくなります。次元3 では、反強磁性ハイゼンベルク模型の基底状態がすべてのスピンに対してネール秩序を持つことは厳密に証明できます (Lieb、Dyson、Simon 1978; Kennedy Lieb、Shastry 1988)。
実験研究
実験の観点からは、副格子の磁化は巨視的スケールで互いに補償し合うため、原子レベルで磁場に敏感な技術を使用するネール秩序を強調する必要があります。これらの技術の中で、1950 年代に MnF 2の磁気回折ピークの観察を可能にした中性子回折を挙げることができます。考えられるもう 1 つの技術は、核スピンと電子スピンの超微細結合による NMR共鳴線の変位を測定する核磁気共鳴です (その符号は、原子核が位置する副格子によって異なります)。核磁気共鳴とは異なり、メスバウアー分光法では放射性原子核 (鉄-57 など) が使用されます。超微細結合により、放射性原子核から放出されるガンマ線スペクトルにシフトが生じます。したがって、このガンマスペクトルの分析により、反強磁性秩序を強調することが可能になります。最後に、ミューオンは原子スケールの磁場にも敏感であり、ミューオンを反強磁性体に注入することにより、局所的な磁場を調べることも可能になります。
ネール状態に磁場を加えると、スピンフロップ状態が生成されます。
ネール点と呼ばれる特定の温度を超えると、2 つの副格子の平均磁化はゼロになり、物体は常磁性になります。ネール温度を超えると、 磁化率は次のように変化します。
