亚铁磁体磁化强度和磁熵变的理论研究

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磁熵变是描述磁热材料的制冷能力的重要参量。理论上可以由麦克斯韦关系式计算出等温磁熵变,实验上通常利用磁化强度或热容量间接测量得到材料的磁熵变,也通过测量绝热条件下磁场材料的温度变化直接测量材料的磁热效应。近年来,亚铁磁体独特的磁化补偿现象备受关注,然而亚铁磁体的磁熵变的理论研究并不多见。本文针对磁化补偿现象与磁熵变关系这一课题,运用自旋格林函数理论研究了亚铁磁结构的磁熵变。从亚铁磁体微观结构出发,构建了三维磁性超晶格和二维混自旋两种磁结构。利用海森堡模型描述这两种亚铁磁体系,包括交换项,单离子各向异性项以及外磁场引起的塞曼能项。首先建立自旋格林函数运动方程,对交换作用项产生的高阶格林函数项采用Tyablikov的无规相近似进行退耦,对单离子各向异性项产生的高阶格林函数项采用Anderson和Callen的退耦方法进行退耦,从而获得各子晶格的自旋格林函数,再利用Callen技术计算出子晶格的磁化强度,最后由麦克斯韦关系式计算出体系的磁熵变。对于自旋1和2及自旋3/2和2组成的三维磁性超晶格体系,发现系统的磁化强度随温度的变化出现了无磁化补偿、临界和有磁化补偿三种情况。当不存在磁化补偿情况或补偿现象不明显时,两种超晶格系统的磁熵变行为有所不同。在自旋1和2系统中,总磁熵变在整个温度区间均为负值,并在转变温度附近有极大值或较大的数值,系统只经历正常磁熵变。而在自旋3/2和2系统中,总磁熵变在转变温度之前有正极值,在转变温度附近有负极值,即系统在转变温度之前经历异常磁熵变,在转变温度附近经历正常磁熵变。当系统出现明显的磁化补偿现象时,两种超晶格系统的磁熵变行为类似。总磁熵变在补偿温度附近有负极值,同时在转变温度附近出现正极值,即系统在补偿温度附近经历正常磁熵变而在转变温度附近经历异常磁熵变。对于自旋1和2及自旋3/2和2组成的二维混自旋体系,分别计算体系磁化强度、总磁熵变以及子晶格磁熵变,发现混自旋体系的磁化强度和磁熵变展示了与超晶格体系相似的行为。在相同参数下,与三维磁性超晶格体系相比,二维混自旋体系的补偿温度和转变温度较高,补偿温度和转变温度的间距更小,总磁熵变的数值更小。
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