磁晶各向异性

磁性材料的磁滞回线与磁各向异性磁性材料一直以来都是工业和科学领域中非常重要的材料之一。

它们在电子设备、能源转换、磁记录等方面发挥着重要的作用。

而磁滞回线和磁各向异性是磁性材料的两个重要性质，在研究和应用上都具有重要意义。

首先，我们来了解一下磁滞回线。

磁滞回线是描述磁场对磁性材料磁化过程的一种特征曲线。

当外加磁场作用于磁性材料时，材料会发生短暂或永久的磁化过程。

磁滞回线就是记录了磁性材料在不同磁场下磁化过程的曲线。

磁滞回线的形状和特征对磁性材料的性能有很大的影响。

首先，磁滞回线的形状能够体现出磁性材料的饱和磁化强度和剩余磁化强度。

通过观察磁滞回线，我们可以判断出磁性材料饱和磁化强度的大小以及在去磁场后是否会存在剩余磁化强度。

这些信息对于材料的选用和应用非常重要。

其次，磁滞回线的斜率和宽度也是研究磁性材料性能的重要指标。

斜率越大意味着材料更容易被磁化和去磁化，这对于磁记录等领域的应用非常重要。

而宽度则代表了磁场对材料磁化状态的稳定性，宽度越窄意味着材料越稳定，适用于长时间保持磁化状态的应用。

然而，磁滞回线并不是所有物质都具有的性质，这与磁各向异性密切相关。

磁各向异性是磁性材料在不同方向上的磁性和磁化特性不同。

不同的磁各向异性会导致磁滞回线的形状和性质发生变化。

磁性材料的磁各向异性可以分为两种类型：晶体各向异性和形状各向异性。

晶体各向异性是材料本身晶体结构的特征，产生于晶格的非均匀性。

形状各向异性则是由于材料的形状和结构不同导致的。

这两种各向异性都会影响磁性材料的磁滞回线。

晶体各向异性是磁性材料磁滞回线形状变化的重要原因之一。

晶体各向异性是由于晶胞的结构不均匀而产生的，不同晶向的磁性能量不同。

这就导致材料会在某些方向上更容易磁化，而在其他方向上磁化困难。

例如，铁磁材料的晶体各向异性使得其在[100]方向上更容易磁化，而[111]方向上则磁化困难。

形状各向异性是磁性材料磁滞回线形状变化的另一个重要原因。

磁晶各向异性常数定义磁晶各向异性常数定义是指在物理学中，当物体被投入非线性磁场时，物体磁化矢量的模和方向也将随非线性磁场而改变，这过程就是叫做磁晶各向异性，而磁晶各向异性常数定义是描述这种磁晶各向异性的物理量，是指非线性磁化率的定义。

磁晶各向异性常数定义的精确含义是指，在物理学中，磁晶各向异性常数可以被描述为一个三元组或者六元组，用来描述在物体中不同方向上，物体电磁特性的变化情况，这样可以更容易地描述物体表面不同方向上，其磁化率之间的关系。

磁晶各向异性常数由一个物理量强度矢量表示，它定义了在不同方向下物体的磁化反应情况，以及物体内部受磁场作用时，能量的改变情况。

例如可以定义一个三元组来表示磁晶的X方向的磁化反应程度，Y方向的磁化反应程度和Z方向的磁化反应程度，这样可以精确地描述它们之间的差异，以及整体响应磁场作用时能量的改变情况。

由此可见，磁晶各向异性常数定义具有很强的精度，可以有效地描述物体不同方向上的磁化反应程度，定义了在物体内部受磁场作用时，能量的改变情况，可以用来描述像磁体、小分子、大分子及导电体有关物理现象的磁化率，广泛应用于电机、电磁学设计领域等。

磁晶各向异性常数的定义是有参考的，普遍的标准是引用国际标准化组织（ISO）所发表的《磁体及其他波导内各向异性参考模型（TARI）》给定的磁晶各向异性常数，也就是六个矢量参数，即六元组参数。

磁晶各向异性常数实验也是重要环节，实验结果多用于校核和验证磁晶各向异性常数的计算方法，以及可以提高设计的准确性。

总之，磁晶各向异性常数定义是指，当物体被投入非线性磁场时，物体磁化矢量的模和方向也将随非线性磁场而改变，由一个物理量强度矢量表示，它定义了在不同方向下物体的磁化反应情况，以及物体内部受磁场作用时，能量的改变情况，其定义是有参考的，普遍的标准是引用国际标准化组织（ISO）所发表的《磁体及其他波导内各向异性参考模型（TARI）》给定的磁晶各向异性常数，它与实验相结合，可以提高设计的准确性，广泛应用于电机、电磁学设计领域等。

磁场对磁性材料的磁晶各向异性和磁晶畴的影响磁场是一个强大的物理力量，在磁性材料中，它可以对材料的磁性产生重要影响。

具体而言，磁场可以影响材料的磁晶各向异性和磁晶畴。

本文将探讨磁场对磁性材料的这些影响。

1. 磁晶各向异性磁晶各向异性是指磁性材料在不同晶向上具有不同的磁性能。

磁场可以改变磁晶各向异性，从而影响材料的磁性质。

当材料处于无外加磁场状态时，磁晶各向异性主要由晶格结构和自旋排列决定。

然而，一旦外加磁场作用于材料，它可以改变材料的电子轨道和自旋状态，进而改变磁晶各向异性。

2. 磁晶畴磁晶畴是指磁性材料中由有序的磁矩构成的微观结构。

磁晶畴的形成与磁场密切相关。

在无外加磁场状态下，磁性材料的磁矩会随机排列，形成无序的磁晶畴结构。

然而，当外加磁场作用于材料时，它会对材料中的磁矩施加力，使磁矩重新排列，从而形成有序的磁晶畴结构。

3. 磁场对磁晶各向异性的影响磁场可以改变磁晶各向异性。

当外加磁场作用于材料时，它会对材料中的磁矩施加力矩，使磁矩重新排列。

这种重新排列导致了磁晶各向异性的改变。

具体而言，外加磁场可以使磁晶各向异性增强或减弱，甚至可以改变材料的磁易化方向。

这对于磁性材料的应用有重要意义，例如在磁存储器件和磁传感器中。

4. 磁场对磁晶畴的影响磁场也对磁晶畴的形成和演化起到了重要作用。

外加磁场可以改变材料中的磁矩排列，使磁晶畴重新组织。

具体而言，磁场可以增强或减弱磁晶畴的长大速率，影响磁晶畴壁的运动和畴间磁矩的相互作用。

这些变化直接影响材料的磁性能，在磁存储和磁制冷领域具有潜在应用。

综上所述，磁场对磁性材料的磁晶各向异性和磁晶畴具有显著影响。

通过改变磁晶各向异性，磁场可以调控材料的磁性能，对磁性材料的应用具有重要意义。

同时，磁场还可以改变磁晶畴的形态和演化，影响材料的磁性质。

随着对磁性材料的研究不断深入，我们对磁场对磁晶各向异性和磁晶畴的影响也会有更加深入的了解，为磁性材料的开发和应用提供更多的可能性。

关于磁晶各向异性06080 杨芳在磁性物质中，自发磁化主要来源于自旋间的交换作用，这种交换作用本质上是各向同性的，如果没有附加的相互作用存在，在晶体中，自发磁化强度可以指向任意方向而不改变体系的内能。

实际上在磁性材料中，自发磁化强度总是处于一个或几个特定方向，该方向称为易轴。

当施加外场时，磁化强度才能从易轴方向转出，此现象称为磁晶各向异性。

磁各向异性按其来源分成：形状各向性；磁晶各向异性；生长感生各向异性；应力感生各向异性；磁场感生各向异性；其中只有磁晶各向异性是磁性晶体中固有的。

其他各种广义地说都是感生出来的。

定域磁矩是如何辨别不同的结晶学方向呢?μJ是怎样耦合到晶格的?答案在于磁矩的自旋部分与电子轨道形状和取向的耦合(自旋-轨道耦合) ，以及给定原子轨道和它们的局部环境(晶体电场)的化学成键。

如果一个原子看到的局部晶体场有较低对称性，并且如果原子的成键电子具有不对称的电荷分布(LZ≠0) ，那么，原子轨道与晶体场的相互作用是各向异性的。

分子轨道的某种取向，或成键电子电荷的某种分布在能量上是择优的。

对于磁晶各向异性这是十分重要的，即成键具有明显的方向特性。

磁晶各向异性是磁性材料的内能随磁化强度方向的变化而发生的变化。

当自发磁化强度从一个方向转向另一个方向。

相邻自旋保持平行，这是因为自旋间存在强的交换作用，要解释磁晶各向异性，必须考虑含有晶轴的能量项。

假设自旋与原子连线的夹角为 ，则自旋对的能量经勒让德多项式展开为：真正的机理是：部分未淬灭的轨道矩与自旋相互耦合，随着磁化强度的转动，通过轨道波函数重叠的变化，导致交换能或静电能发生变化，这种相互作用被称为赝偶极相互作用。

磁晶各向异性可以通过对晶体中所有自旋对的能量相加而计算出耒，这模型称为自旋对(spin-pair)模型。

自旋对模型对金属和合金是适用的，对氧化物和化合物不适用。

晶体场理论的基本思想是认为中心金属离子的电子波函数同周围离子(称为配位子)的电子波函数不相重叠，因而可以把组成晶体的离子分为两部分：基本部分是中心金属离子，我们将其外层未满壳层的电子作为量子体系处理；非基本部分是周围的配位子离子，我们将它们作为产生静电场的经典体系处理，配位子所产生的静电场称为晶体场。

§4.2 磁晶各向异性场在晶体中，由于磁晶各向异性作用，无外场时磁矩倾向于集中在易磁化轴方向。

这好像在易磁化轴方向存在一个磁场，把磁矩拉了过去那样。

这一作用实际上是来自各向异性，而不是真实的磁场，所以称为磁晶各向异性等效场。

这一概念对有些问题的处理会带来很大的方便。

1. 单轴磁晶各向异性场根据上一节的讨论知道，单轴晶体的各向异性能可以表达为（当2121sin θθu u k K K E ≈=θ很小时） （4.2.1） 设在易磁化方向的等效磁场强度为H k ，磁场作用下的静磁能是θcos k S H J E −= （4.2.2） 这里J s 是单位体积中的饱和磁偶极矩。

两式中的θ都是磁偶极矩方向与易磁化方向的夹角。

（4.2.2）式中，E =0在θ=90°处，为了同（4.2.1）做比较，要求E =0落在θ=0°。

此式可写为)cos 1(θ−=k S H J E这就符合θ=0°时E =0的要求了。

此式还可以写为2222sin 2θk S k S H J H J E ≈⋅= （4.2.3） （4.2.3）与（4.2.1）两式等效，所以21⋅=k S u H J K 由此，单轴磁晶各向异性的等效磁场强度是Su S u k M K J K H 01122μ== （4.2.4） 从这里可以看出，这个各向异性等效场与各向异性常数成正比。

即各向异性常数表征了各向异性等效场的强弱。

2. 立方晶系磁晶各向异性等效场立方晶体的磁晶各向异性能表为（4.2.5） )(2123232222211αααααα++=K E k 把这个式子改用极坐标表示。

由图3.2.9所示11cos cos sin x x r R r Rαθϕ====θ22cos sin sin y y r R r Rαθϕ====θ （4.2.6） 33cos cos z R αθθ===现在考虑时z 轴上等效场的情况。

第四章磁各向异性，磁畴和超顺磁（Lisa Tauxe著，刘青松译）推荐读物关于专业背景知识，可以阅读Butler (1992) 第三章 (pp. 41−55)关于统计力学的背景知识，参见/wiki/Statistical mechanics更多信息详见Dunlop and Özdemir (1997) 第2.8和5章4.1 前言由第3章我们得知，即使在无外场的情况下，一些晶体中的电子自旋也会按照一定方式排列，从而产生自发磁化强度。

这些铁磁性的颗粒能够携带古地磁场信息，这便是古地磁学的基础。

到底是什么原因使得这些磁性颗粒能够沿着古地磁场方向排列并达到平衡状态？是什么原因使得岩石最终锁定这些剩磁，以至于在数百万甚至数十亿年后还能被地质学家测得？我们将再下面几章回答这些问题。

图4.1：a) 磁铁矿八面体。

b) 晶体内部结构。

大个的红球代表氧离子，蓝色和黄色小球是在八面体和四面体中的铁离子。

在A区只有Fe3+，在B区有Fe3+和Fe2+。

c) 在一个磁铁矿晶体内部随方向变化的磁晶体各向异性能。

易磁化轴(能量最低)沿着晶体对角线方向(改自Williams和Dunlop, 1995)。

d) 一个磁铁矿立方晶体的磁化强度随外场变化的模拟结果。

外场从饱和状态逐渐减小到0，然后变号并且朝反方向逐渐增大。

[111]为易磁化轴，沿对角线方向且能量最低。

[001]为边线方向，是难磁化轴，能量最高。

首先我们讨论第二个问题：磁化强度沿某一特定方向排列的机制是什么？简单说来就是在磁晶体中，某些方向处于低能状态，而在另外一些方向则处于高能状态。

因此，为了使得磁化强度从一个易磁化轴转换到另外一个易磁化轴，就需要能量。

如果这个能垒（energy barrier）比较高，那么磁性颗粒就能够在非常长的时期内在某一特定方向保持磁化状态。

下面我们将讨论是什么造成了这一能垒。

4.2 颗粒的磁能4.2.1 磁矩与外场由经验得知，磁场对应着某种能量。

磁各向异性能磁各向异性（Magneto-crystallineAnisotropy，简称MCA），是一种被广泛应用于磁性材料中的物理现象，它是指磁性材料在不同方位上具有不同的磁性特性。

它是磁性材料中磁晶结构及本征磁矩与应变结构和拓扑结构的综合效应。

在磁性材料中，微小的内部应变可以引起位错的构建，从而调节磁畴的能量，影响磁畴的取向，从而改变磁畴中的磁性特性。

在应用中，这种现象被用来控制磁性材料的性能。

MCA是一种由应力、拓扑和磁场综合作用导致的磁畴取向现象，它有助于理解材料中的磁性行为，也可以用来调控材料的磁性特性。

MCA可以被划分为简单磁各向异性、拓扑各向异性和电荷各向异性。

简单磁各向异性是由材料的结构所引起的，由磁晶结构及本征磁矩所决定，该类各向异性是最基本的形式，对对噪声效应不敏感。

拓扑各向异性受内部拓扑和外部应力影响，因此它更容易受到环境因素或应力影响，它可以用来改变材料磁性特性，从而被用于磁性存储器中。

电荷各向异性是由材料中电荷层状分布引起的一种现象，该类磁畴取向主要由电子自旋对材料中电荷密度所产生的磁场所引起，因此它可以用来改变材料的磁性特性。

MCA是目前磁性材料中最重要的磁性特性，它不仅可以控制磁性材料的磁畴取向，而且也可以控制磁性材料的磁性特性。

它广泛应用于磁性存储器，它使得磁性存储器可以在同一晶体中实现自动反转的功能，从而改善存储器的效能和寿命。

此外，MCA还可以用来改变磁性材料的放大器特性，以及用于动态过程控制。

随着材料科学技术的发展，MCA受到了越来越多的关注，它在电子科技中有着重要的应用。

例如，磁性存储器中的磁性涂层可以得到改善，而这种改善得益于MCA的用途，从而提高了性能的可靠性，从而增强了存储系统的可靠性。

此外，MCA也可以被用于电子设备中的磁畴检测和定位，从而提高系统性能。

以上，就是关于磁各向异性的相关介绍。

从该介绍可以看出，MCA 是当今磁性材料研究中非常重要的现象，它不仅可以改善磁性材料的性能，而且还有助于提高存储系统的可靠性。