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簡(jiǎn)介

磁性材料是由許多具有穩(wěn)定磁矩的原子或小原子集團(tuán)構(gòu)成的，它們的磁矩之間相互作用，構(gòu)成了宏觀上的磁性現(xiàn)象。這樣的相互作用基本有兩類。一類是鐵磁相互作用：兩個(gè)相鄰的磁矩排成同一個(gè)方向。另一類是反鐵磁相互作用：相鄰的磁矩排成相反的方向。如果材料的內(nèi)部只有鐵磁相互作用，所有的磁矩排成了同一個(gè)方向，那么材料具有像磁鐵一樣的性質(zhì)。如果只有反鐵磁相互作用，那么磁矩的方向總是正反相間，相互抵消，磁化率為0。宏觀上，材料“沒有磁性”。而當(dāng)材料內(nèi)部隨機(jī)存在著鐵磁相互作用和反鐵磁相互作用時(shí)，就會(huì)形成自旋玻璃。

自旋玻璃材料

最早被研究的自旋玻璃材料是一些稀磁合金，即將少量磁性金屬摻雜到非磁性金屬中得到的合金，比如銅摻錳合金Cu1-xMnx與金摻鐵合金Au1-xFex。其中x? ? -->1{\displaystyle x\ll 1}是表示摻雜金屬的比例。

物理特性

自旋玻璃材料的發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)樗c一般的鐵磁性和反鐵磁性等材料有著不同的物理特性。

自旋凍結(jié)

相互作用產(chǎn)生有序，熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生無序。當(dāng)物質(zhì)的溫度升高時(shí)，原子自身的熱運(yùn)動(dòng)逐漸超過原子之間的相互作用，于是物質(zhì)宏觀上變?yōu)轫槾判浴６?dāng)溫度重新降低時(shí)，物質(zhì)將恢復(fù)獨(dú)自的磁性特質(zhì)。鐵磁體材料在高溫狀態(tài)下的磁性特征遵從居里-外斯定律。而當(dāng)溫度降至一定水平（稱為相變溫度或居里點(diǎn)）后，將快速回復(fù)鐵磁性性質(zhì)。而自旋玻璃材料在高溫時(shí)雖然也呈現(xiàn)順磁性，但當(dāng)溫度下降時(shí)，復(fù)雜的相互作用使得長(zhǎng)程有序狀態(tài)無法形成，各個(gè)磁矩被隨機(jī)地凍結(jié)在某個(gè)方向，最后呈現(xiàn)無規(guī)則的長(zhǎng)程無序狀態(tài)。而這個(gè)轉(zhuǎn)變過程是緩和的，就磁化率（測(cè)量宏觀上磁性到底有多大的量）來說，自旋玻璃材料在溫度下降時(shí)磁化率先緩慢增高，經(jīng)過一個(gè)峰值后再緩慢下降。達(dá)到峰值時(shí)的溫度也稱為“凍結(jié)溫度”（表示之后開始“凍結(jié)”）。

亞穩(wěn)態(tài)

鐵磁性材料和反鐵磁性材料的磁矩在相變溫度以下只有一種排列狀態(tài)。比如鐵磁性材料在低溫時(shí)所有的磁矩都按著同一個(gè)方向排列。這個(gè)狀態(tài)下系統(tǒng)的能量是最低的。要改變這種狀態(tài)需要較大的能量。而自旋玻璃材料在低溫時(shí)可能出現(xiàn)很多種不同的狀態(tài)，這些狀態(tài)下系統(tǒng)的能量都差不多（差距極微?。环Q為亞穩(wěn)態(tài)。這種情況的出現(xiàn)是由于所謂的“阻挫現(xiàn)象”（frustration，或稱受挫現(xiàn)象）。

阻挫

第三個(gè)自旋該取何種狀態(tài)？

阻挫現(xiàn)象是對(duì)自旋玻璃態(tài)系統(tǒng)中亞穩(wěn)基態(tài)眾多的解釋，其含義是由于幾何結(jié)構(gòu)使得不存在一個(gè)確定的磁矩（自旋）狀態(tài)能滿足系統(tǒng)能量最小化的要求。最簡(jiǎn)單的例子是一個(gè)由三個(gè)自旋組成的系統(tǒng)，每?jī)蓚€(gè)自旋之間都是反磁相互作用。當(dāng)其中兩個(gè)自旋方向相反（一上一下）的時(shí)候，無論第三個(gè)自旋處于什么狀態(tài)（上或者下），都無法滿足所有相互作用的要求：兩種狀態(tài)的系統(tǒng)能量相同。因此，這兩種狀態(tài)出現(xiàn)的可能性是一樣大的，這就是阻挫。當(dāng)這類三自旋系統(tǒng)或類似的系統(tǒng)數(shù)量眾多的時(shí)候，會(huì)有很多個(gè)不同的狀態(tài)有著幾乎同樣的能量，這導(dǎo)致了自旋玻璃材料的基態(tài)的復(fù)雜性。

磁化弛豫

自旋玻璃材料由于自旋隨機(jī)凍結(jié)，宏觀整體的磁化率是0。然而，自旋玻璃并不像反鐵磁性材料一樣在低溫時(shí)對(duì)外部磁場(chǎng)產(chǎn)生抵抗，而是像順磁性材料一樣，會(huì)被外部磁場(chǎng)磁化。而自旋玻璃不同于順磁性材料的地方是，它磁化的過程是相對(duì)緩慢的。順磁材料的磁化弛豫時(shí)間（從開始到磁化完成的時(shí)間）幾乎可以忽略不計(jì)，但自旋玻璃則需以分鐘甚至小時(shí)計(jì)。同樣地，已經(jīng)磁化后撤除外部磁場(chǎng)，自旋玻璃需要的恢復(fù)時(shí)間也是緩慢的。

數(shù)學(xué)模型

EA模型

Edwards–Anderson model

SK模型

The model of Sherrington and Kirkpatrick

參見

非晶態(tài)

隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)

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