A、磁性材料磁畴和拓扑磁结构关系 沈阳材料科学国家(联合)实验室的张志东教授,在“科学网”的个人博客专栏中发表的《磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构》一文说:“在20世纪60年代在具有强的垂直各向异性的铁磁性薄膜中观察到的磁泡,它的自旋分布区域图,拟设磁矩垂直于纸面,并且反平行排列,有一个很窄的过渡区域──畴壁。在畴壁的中心部位,磁矩是躺在面内的。磁泡有两种形态,一种是拓扑荷为1的磁泡,它的畴壁形成一个闭合的圆环;另一种是拓扑荷为0的磁泡,它的畴壁不是一个闭合的圆环,在圆环上存在一对布洛赫线。磁泡的拓扑密度分布,主要局域在畴壁处”。 由于拓扑学中环面与球面不同伦,畴壁形成闭合的圆环──磁环,是我们关注类似的一种“虚拟生成”──拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密。特别是在一些拓扑磁性组态,如涡旋、磁泡、麦纫、斯格米子等,这些拓扑磁结构的拓扑性质与磁性能密切相关──磁畴结构由材料的磁结构、内禀磁性和微结构因素决定──磁畴结构决定了材料磁化和退磁化过程以及技术磁性。 从尺寸效应、缺陷、晶界三个方面看在磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构方面的进展,以及在稀土永磁薄膜材料的微观结构、磁畴结构和磁性能关系、交换耦合纳米盘中的拓扑磁结构及其动力学行为方面,来开展各向异性纳米复合稀土永磁材料的研究,会更好地利用稀土资源──可有目的地改变材料的微结构,可控地进行磁性材料的磁畴工程,最终获得优秀的磁性能。 B、拓扑磁结构的磁性能 人们发现在不同的领域,包括在经典液体、液晶、玻色-爱因斯坦凝聚、量子霍尔磁体等,存在斯格米子。斯格米子组态拓扑密度分布是全局性分布,与其它组态的局域分布不同。磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构,在尺寸效应、缺陷、晶界(和晶粒)三个方面的进展,是近年来在稀土永磁薄膜材料的磁畴结构和磁性能、多层膜纳米盘中,拓扑磁性组态以及动力学和共振激发方面取得的。 磁性材料包括永磁、软磁、磁致伸缩、磁记录等,磁性材料的磁性分内禀磁性和技术磁性能。内禀磁性包括居里温度、饱和磁化强度、磁晶各向异性等,分别对应于磁性相互作用、自旋磁矩、晶体场等内禀性质,主要由材料的晶体结构、磁结构、成分等决定。 把“目的球”和“目的环”之分的拓扑学的概念,运用在越来越多的材料中,发现拓扑学研究磁畴结构、拓扑磁性基态或者激发态的形成规律以及动力学行为,对理解量子拓扑相变以及其它与拓扑相关的物理效应是十分重要,也突出了把圈或圈态看得比点或质点更基本的想法,而能帮助理解不同拓扑学态之间相互作用的物理机制以及其与磁性能之间的关系,同时也能拓展拓扑学在新型磁性材料中的应用。 磁结构与材料的晶体结构密切相关,其对称性可以与晶体结构相同,但绝大多数情况下磁有序会附加新的磁对称性。磁结构由晶体结构以及磁性相互作用、自旋磁矩共同决定。铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性、螺旋磁性、自旋玻璃、顺磁性等不同的磁性与不同的晶体结构可以组合成丰富多彩的磁结构。另一方面,技术磁性能包括剩余磁化强度、矫顽力、最大磁能积、温度系数等。这些技术磁性能不但由材料的内禀磁性控制,还与材料的微观结构密切相关。 材料的尺寸、形状,晶粒大小、晶界、缺陷以及第二相等均会影响材料的磁性能。特别是量子力学的创立,促进人们对磁性起源的理解──如对自发磁化的量子力学理解和磁畴结构的发现。量子力学的理论研究对微观磁性,包括电子自旋、各类交换作用等认识的提高,因磁畴结构非常复杂,不但由材料的内禀磁性控制,还受到微观结构和缺陷等因素的影响,尽管对磁畴结构已有许多系统的研究,但远远没有达到深入理解的程度。 2)材料磁畴磁环结构到拓扑环壳三旋学 拓扑学与代数、几何一样,是一门基础性的学科。拓扑学是研究连续性现象的数学分支,主要研究拓扑空间在拓扑变换下的不变性质和不变量。拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密,可以说拓扑学的概念,正在应用于越来越多的学科领域。如对磁畴结构理解,拓扑学基本上是在微磁学理论的层次,开展对磁结构、磁畴结构和磁性能三者之间的关系的系统认识。 磁畴结构是铁磁质的基本组成部分,在各磁畴中,原子磁矩的排列各有相互平行的自发倾向,磁矩方向保持一致。但是各磁畴的排列方向是混乱的,所以铁磁体在没有被磁化前不显磁性。磁畴结构多种多样,通常有以下几种类型:片形畴、封闭畴、旋转畴、棋盘畴、柱形畴、蜂窝畴、迷宫畴、楔形畴等。 在磁畴的边界,磁矩从一个方向连续地过渡到另一个方向,从而有磁畴壁。在外磁场的作用下,不同方向的磁畴的大小发生变化,以致外磁场方向上的总磁矩随外磁场的增强而增加;所以,磁畴的结构影响磁化过程和退磁化过程,从而影响材料的磁性能。
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