Nghiên cứu về tính chất từ của điện tử tự do trong kim loại và các quá trình từ hóa

songsongvớitrụczthìváchđômendịchchuyểnvà đômencóIsongsongvớiH nởra,đ ômencóIphảnsongsongvớiH bịcolại.Phươngtrìnhchotrạngtháicânbằngcủavách... TừđộI đotheohướngcủatừtrườngngoàiH đượcxác đ

Trongcá c nămgầnđ â y cònxuấthiệnhàngloạtcáccô ng trình khoahọcvề s i ê u dẫnởnhiệtđộcaolàmchovịtrícủangànhVậtlýchấtrắnnóichungvàngànhVậtliệutừnóiriêngcàngthêmnổibật.

TừhọcchínhlàngànhkhoahọcVậtlýnghiêncứuvềcáchiệntượngtươngt á c hútvàtươngtácđẩycủacácchấtvàcáchợpchấtgâyrabởitừtínhcủachúng.Nhữngchấtvàhợpchấtcótừtínhđặcbiệtlàđốitượngcủatừhọcvàdùngđểchếtạonhữngsảnphẩmphụ

cvụconngườilàvậtliệutừ.Vậtliệutừc ó sẵntrongtựnhiênlàkhánhiều,tuynhiêntừtínhcủachúnglàchưamạnhvàchưacótínhứngdụngcaotrongthựctiễn.Đểvậtliệutừcótínhứngdụngc a o tacầntạoracácvậtliệutừcótừtínhmạnh.Muốnvậ y chúngta cầnđisâu vàotìmhiểucáchiệntượngtừcủavậtliệutừvànguồngốccủachúng.

Chúngtađãbiếtvậtchấtnóichungvàkimloạinóiriêngđượctạonêntừcácphântử,nguyêntử.Cácnguyêntửlạiđượccấutạotừhạtnhânvàđiệntử.Trongk i m loạic ó chứac ác điệnt ử t ự do.Từtínhc ủ a kimloạiđ ư ợ c quyết

địnhbởitừtínhcủacácđiệntửtựdo.Bảnchấttừtínhcủavậtliệutừlàdo



nghiêncứuvềtừtínhcủakimloạichúngtacầnnghiêncứutínhchấttừcủađi ện tửtựdotrongkimloại.Đểchếtạorađượccácvậtliệucótừtínhmạnhcó ứngdụngcaochúngtacầnnghiêncứucácquátrìnhtừhóa,cơchếtừhóav ậ t liệu

Vậynghiêncứuvềcáchiệntượngtừcủavậtliệutừcũngnhưnghiêncứuquátrìnhtừhóavậtliệucóýnghĩatolớnđốivớikhoahọccũngnhưđốivới

NỘIDUNG CHƯƠNG1 TÍNHCHẤT TỪCỦAĐIỆNTỬTỰDOTRONGKIMLOẠI

TheoDrudec á c êlectrondẫnđiệntrongk i m l o ạ i nhưcáchạtcổđiểnchuyểnđộngtựdotrong“hộptinhthể”vàcóthểdùngthuyếtđộnghọcphânt ử đểmôtảtínhchấtcủanódựatrêncácgiảthuyếtsau:

Khikhôngc ó đ i ệ n trường:êlectronchuyểnđ ộ n g nhanhv à thườngxuyênthayđổichiều

- khôngphụthuộcvàovậntốccuốnv d củađ i ệ n t ử , t ứ c làkhôngphụ

iệntrườngngoài

- càngnhỏthìhệnhiễuloạntrởvềcânbằngcàngnhanh

323

1.1.2 Lýthuyếtlượngtửvềkhíđiệntử

Đặctrưngcủakimloạilàđộdẫnđiệntốt.Điềunàychứngtỏcácđiệntửtrongkim loạibịtậpthểhóavàcóthểchuyểnđộngtựdotrongmạngkimloạit ừ nguyêntửnàysangnguyêntửkhác

Tronggầnđúngbậcnhấttínhchấtcủađiệntửcóthểcoinhưtínhchấtcủakhílýtưởngmàcáchạtlàcácđiệntửkhôngtươngtácnhau.Chấtkhíđóbịg i ữ lạikhôngđira khỏikimloạibởicác lựcđiệnở biêngiớikimloại.Nhưvậycácđiệntửchuyểnđộngtrongkhônggiangiớinộivàtheocácnguyênlýtổngquátcủacơhọclượngtửthìnóbịlượngtửhóa,tứclàcáchạtkhôngthểc ó cáctrạngtháilượngtửgiánđoạn

2 2

^

k

P

 V 

f ,T =

e  k B T

h 

B T

trạngt h á i suybiến).Ở nhiệtđộrấtcao

k B T

1.2 Tínhchấttừcủađiệntửtựdotrongkimloại

1.2.1Theoquanđiểmcổđiển

TheolýthuyếtBocácêlectroncủanguyêntửchuyểnđộngxungquanhhạtnhânth

eoquỹđạolàmộtđườngtrònbánkínhlàr v à cótâmở h ạ t nhân.Êlectron(mangđiệnâm

)chuyểnđộngtươngđ ư ơ n g vớimộtdòngđ i ệ n trònc ó chiềungượcvớichiềuquaycủaêlectron(hình1.2)

Nếugọielàđiệntíchcủaêlectron,Nlàtầnsốquaycủaêlectronthìdòng

v

e m

NgoàiravìE F

tínhtoáncổđiểnlàđiềutamongđợi

1.2.2.2 NghịchtừđiệntửLandau

Trongcáctínhtoántrên.Tagiảthiếttừtrườngkhôngảnhhưởngđếndịchchuyểnkhônggiancủacácđiệntử.Trênthựctếtừtrườnglàmbiếnđổihàmsóngcủađiệntử.Điệntửchuyểnđộngtheođườngxoắnốc

Đốivớicácđiệntửtựdođiềunàydẫnđếnxuấthiệnmộtmômennghịchtừc ó giátrịtươngứngvớiđộcảmtừ:

GọilàđộcảmnghịchtừLandau.Dođóđộcảmtừtoànphầncủakhíđiệntử tựdolà:

- Nghịchtừcủalõinguyêntử(phântử)

- Cáchiệuứngliênquanđếncấutrúcvùng

- Tươngtácspin–spin

Độcảmtừđođượccủacáckimloạichuyểntiếp(cóvỏđiệntửkhôngđầy)l ớn hơnđángkểcáckimloạikiềm.Điềunàydẫnđếngiảthiếttrongkimloạichuyểntiếp,mậtđộcáctrạngtháiđiệntửởgầnmặtFermilớndịthường.Kếtl u ậ n nàyđãđượckhẳngđịnhbởicácsốliệuvềnhiệtdung

lớncònnhỏhơnrấtnhiềusovớitrườnghợpchấtthuậntừ.Vìthế,đểchứngtỏh i ệ u ứngnghịchtừcầnphảicótừtrườngcựckỳmạnh

gđ i ệ n môitrườngđãcósựb i ế n đổi.Tan ó i rằngmôitrườngđãbịtừhóa(haynhiễmtừ).Cácchấtcókhảnăngbịtừhóađượcgọilà từmôi(vậtliệutừ)

Khiđặttừmôivàotừtrườngthìn ó bịt ừ hóa vàtạoratừtrườngphụcó

2.1.2.1 Sựtừhóachấtnghịchtừ

Nhữngchấtkhôngcómômentừnguyêntử,nghĩalàtổngcácvéctơmôment ừ quỹđạovàmômentừriêngbằngkhông,chẳnghạnbismust,cáckhítrơlàc á c nghịchtừ(khiđặtvàotừtrường,dohiệuứngnghịchtừcácnguyêntửvềtoànbộcómộtmômentừphụluônluônngượcchiềuvớitừtrườngngoài)

XétnguyêntửHêliđólànghịchtừcóhaiêlectron.Tacóthểcoimặtphẳngquỹđạocủacácêlectronđósongsongvớinhauvàquỹđạocủachúnggiốngnhau.Trêncácq u ỹ đạoấyc á c êlectronđềuchuyểnđộngvớicùngvậnt ố c n h ư n g ngượcchiềunhauvàdođólàmchomômentừquỹđạocủachúngluônluônt r ự c đốinhau.Lýthuyếtđ ã chứngminhrằngc á c mômentừriêngc ủ a c á c êlectronnàycũngngượcchiềunhau

B B

nguyênt ử sắpxếphoàntoành ỗ n loạn,khôngcóphươngư u t i ê n Vìvậymôment ừtổnghợpt ổ n g hợptrongtoànvậtthuậntừbằngkhôngv à vậtkhôngcótừtính

Khichưabịt ừ hóa,c á c miềnphảiphânb ố nhưt h ế nàođóđ ể môment ừ tổnghợpcủavậtsắttừbằng(hoặc)không

Chẳnghạn,sựphânbốcácmômentừcủacácmiền.Trongđócácmiềnđãđượctừhóađếnmứcbãohòavàmômentừcủamỗimiềnbằngnhauvàbằng

4P m

 1

2 P m

Pm

e

phátsinhq u á trìnhdịchchuyểnr a n h giớig i ữ a cácmiền,trongđómiềnc ó n ă n g lượngnhỏmởrộngravàngượclạimiềncónănglượnglớnsẽthuhẹpl ạ i (hình2.1b).Quátrìnhđócóthểxemnhưmộtsựchuyểnphagiốngnhưsựchuyểnphacủachấttừthểkhíbiếnđổisangthểnướcho

B 0 ,dođóH k đượcgọil à cườngđộtừtrườngkhửtừ.B â y giờt a giữ

nguyênchiềucủaH ( n h ư đãđảongược)vàtiếpt ụ c tăngđộlớnc ủ a H tới

trườngH bằngkhông.B â y giờlạiđổichiềucủaH vàtăngtừt ừ đếngiátrị

ứ n g vàsắtt ừ mềm

dưtươngđốicaov à bềnvững,d ođóđượcdùngđểchếtạonamchâmvĩnhc ử u Cácchấtsắttừcứngnhư:Manhêtit,thépthường,thépcrôm…

d

dưrấtmạnhnhưnglạidễkhử.Dođócácloạisắttừmềmđượcdùngđểchết ạ o cácnamchâmđiện,máyđiện,môtơđiện.Chấtsắttừmềmnhư:Sắttinhkhiếtsaukhitinhluyệntronghyđrô,sắtnon,sắtsilic…

Sốhạngt h ứ nhấtmôt ả phầnđónggópvàotừđộgâyn ê n bởis ự dịchchuyểnváchđômenvàtươngứ n g vớiquátrìnhdịchchuyểnvách.Sốhạngt h ứ haigâybởisựquaycủamômentừtheophươngcủatừtrườngngoàigọilà

31

songsongvớitrụczthìváchđômendịchchuyểnvà đômencóIsongsongvớiH nởra,đ ômencóIphảnsongsongvớiH bịcolại.Phươngtrìnhchotrạngtháicânbằngcủavách

vịtrí

vịtrí

x0 n ê n saukhingắttừtrườngngoàiváchđômenlạidịchchuyểnvề x0 ,p h ụ c h ồ i lạitrạngtháik h ử banđầu.Đâyl à q u á trìnhdịch

củalớpchuyểntiếpgiữacácđômenvàotọađộ

NếutừtrườngđủlớnđểváchdịchchuyểnquađiểmA,thìvìtạiđâynănglượngváchbiênthiênc ự c đại(đạtg i á trịc ự c đại)nênváchc ó t h ể tựđộng

Xétmộtđơntinhthểcódạngsợidâylýtưởngkhôngcósứccăngnộitại.Dâyđủdàiđểkhôngcótrườngkhửtừdọctheotrụcsợidây.Nănglượngmẫu

010và 100làtồntại.Sau

khitừtrườngđủlớnđểhoànthànhquátrìnhdịchchuyểnvách,nồngđộcủa

1haip h a n à y phải bằngnhau:

TừđộI đotheohướngcủatừtrườngngoàiH đượcxác địnhbởi

0, (2.19)dođótacó:

H 2K12j2I

Hệthứcnàyđượcbiểudiễntrênđồthịsau:

H H

12

j H// 110

D E

phùhợpvớithực nghiệm.Sosánhđườngcongtừhóatrongvùngtừtrườngl ớ n hơnv ớ

i đoạnCB(hoặcHK)kếtquảthựcn g h i ệ m cũngphùhợpvớil ý thuyết

24 H10020

hiphépđosựphụthuộcnhiệtđộc ủ a từđộc ủ a sắ t đ ư ợ c thựchiệnởtừtrườngthấp.HiệuứngnàyđượcgọilàhiệuứngHopkinson.Vớicác

3.1 Hiệntượngsiêudẫn

CHƯƠNG3 SIÊUDẪN

Hiệntượngg i ả m độtngộtđ i ệ n trởvềkhôngk h i mẫuđượclàmlạnhđếnnhiệtđộđủthấpgọilàhiệntượngsiêudẫn

3.2 Đặctínhcơbảncủatrạngtháisiêudẫn

Trongtrạngtháisiêudẫn,điệntrởcủamẫuchínhxácbằngkhônghoặcrấtgầnvớikhông.Điềunàyđượck h ẳ n g địnhbởiviệcquansátdòngvĩnhcửuchạytrongmộtvòngxuyếnởtrạngtháisiêudẫn:dòngchạykhôngsuygiảmtrongsuốtmộtnămđếnkhinhàthựcnghiệmdừngthínghiệm.FilevàMillsđãdùngphươngphápcộnghưởngtừhạtnhânđểđotừtrườngtạobởidòngs i ê u dẫnmộtcáchchínhxácq u a đánhg i á đ ộ suyg i ả

mcủadòngs i ê u dẫnlàkhôngkémhơnmộttrămnghìnnăm.Tuynhiênmộtsốvậtliệucóth ời giansuygiảmhữuhạndocóhiệntượngtáiphânbốbấtthuậnnghịchcủat ừ thongtrongvậtliệu

ậ t tựđượcgiảithíchbởilýthuyếtc ủ a Bardeen,CoopervàSchrieffer(lýthuyếtBSC,năm1975)

3.3 Mộtsốtínhchấtcủacácvậtliệusiêudẫn

3.3.1 Sựtồntạicủatínhsiêudẫntrongcácvậtliệu

Tínhsiêudẫncóởnhiềukimloại,hợpkim,hợpchấtliênkimloạivàbándẫn.Trongcácvậtliệusiêudẫncổđiểnhaysiêudẫnnhiệtđộthấpnhiệtđộ

trườngngoàiđặtvào.TrêntừtrườngtớihạnH c ,vậtkhôngcònlàsiêudẫnvà

Vùng xoáy

Thường Siêu dẫn

 1,39

Khenănglượngtrongchấtsiêudẫnkhácvềbảnchấtvớikhenănglượngởtrongchấtcáchđiện:khenănglượngtrongchấtcáchđiệngắnvớimạng,khen ă n g lượngtrongsiêudẫngắnvớikhíFermi.Nếuđộrộngkhelà2 thìcó

rongkhenănglượng)

3.3.5 Hiệuứngđồngvị

Nhiệtđ ộ tớihạncủacá c chấtsiêudẫnbiếnđổitheokhốilượngđ ồ n g vị

nguyêntửtrungbìnhcủaHgbiếnđổitừ199,5đến203,4đơnvịkhốilượngnguyêntử

hựcnghiệmtrênmộtdãycácđồngvịcủamộtnguyênt ố cóthểđượcmôtảbởimộthệthứccódạng:

M 

T cons t

- Lýthuyếtnhiệtđộng

- Cácphươngtrìnhhiệntượngluận(phươngtrìnhLondonvàphươngtrìnhLandau–Ginzburg)

- LýthuyếtlượngtửcủaBardeen,Cooper,Schrieffer(lýthuyếtBCS)

Xétlýthuyếtnhiệtđộngcủachuyểnphasiêudẫn.Nănglượngổnđịnhcủatrạngtháisiêudẫnđ ố i vớitrạngtháithườngc ó t h ể xácđịnhbằngphươngphápđonhiệtdunghoặcbằngphươngphápđotừ.Từhiệunhiệtdungcủavậtliệutrongtrạngtháithườngv à trongtrạngtháisiêud ẫ n t a cót h ể xácđịnhđượchiệunănglượngcủahaitrạngtháinày

Đólànănglượngổnđịnh.Nănglượngổnđịnhcũngcóthểxácđịnhbằngphươngpháptừthôngquahiệuứng

Meissner.Trongtrạngtháisiêudẫn,từtrườngnộitạibằng0(vậtliệusiêudẫnl à chấtnghịchtừlýtưởng).Dođótacó:

Bâygiờxétảnhhưởngcủatừtrườnglênsựchuyểnphatừtrạngtháisiêudẫnđếntrạngtháithường.Cáchđơngiảnnhấtlàxétcônglàmdịchchuyểnmộtchấtsiêudẫntừ đ

U0U 18 H 2

(3.14)

F F

NhiềutínhchấtcủavậtliệusiêudẫncóthểđượcmôtảbởilýthuyếtcủaBardeen,Cooper,Schrieffer(lýthuyếtBCS).Lýthuyếtnàyd ự a trêncơs ở tươngtáccủacặpđiệntửvớimạng.



MôhìnhcủalýthuyếtBCSnhưsau:xétmộthệgồmmộtđiệntửhútcácion baoquanh(mạngbịnhiễu).Mộthệnhưvậysẽcóđiệntíchdươnghơnđôic h ú t sovớihệkhôngnhiễu.Phầnmạngbịnhiễucộngvớiđiệntửsẽđẩymộtđ i ệ n tửkhácíthơnsovớiphầnmạngkhôngbịnhiễu.Nóicáchkháchaiđiệnt ử dườngnhưbịhútlẫnnhauvàtạothànhmộtcặpđiệntửhaycòngọilàcặpCooper.TheolýthuyếtBCS,nănglượngtươngtáctrongcặpnhưvậycóthểb i ế n đổiđángkểphânbốnănglượngcủađiệntửởnhiệtđộthấp.Trạngthái

HoàngPhúcHuấnđãtạođiềukiệnvàgiúpđỡemhoànthànhtốtkhóal u ậ n này.

TrầnThịTrang

Emxinchânthànhcảm ơn!

HµNéi,tháng5năm2009Sin hviên

TrầnThịTrang