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第1章 导论 1

1.1磁性：神奇而实用 1

1.2磁学的历史 2

1.3磁性质、中子、自旋极化电子和偏振X射线 11

1.3.1自旋极化电子和磁性质 13

1.3.2偏振X射线和磁性质 19

1.4 20世纪下半叶的发展 22

1.5关于未来的思考 26

1.6本书简介 28

第一部分 场和矩 33

第2章 电场、电流和磁场 34

2.1磁学中的符号和单位 34

2.2电场 34

2.3电流及其磁场 35

2.4大电流密度 40

2.5材料中的磁场和电场 41

2.6磁性材料中三个磁矢量之间的关系 42

2.6.1薄膜的杂散场和退磁场 45

2.6.2杂散场和退磁场的应用 47

2.7电场和磁场的对称性质 49

2.7.1宇称 49

2.7.2时间反演 51

第3章 磁矩及其与磁场的相互作用 53

3.1磁矩的经典定义 53

3.2从经典磁矩到量子磁矩 56

3.2.1玻尔磁子 57

3.2.2自旋磁矩和轨道磁矩 57

3.3外磁场中的磁偶极矩 59

3.4磁场中磁偶极的能量 60

3.5非均匀磁场作用在磁偶极上的力 62

3.5.1斯特恩-盖拉赫实验 63

3.5.2莫特探测器 68

3.5.3磁力显微术 71

3.6磁场作用在磁矩上的转矩 72

3.6.1磁矩的进动 73

3.6.2进动的阻尼 74

3.6.3磁共振 79

3.7时间与能量的关联 83

3.7.1海森伯不确定性原理 83

3.7.2经典自旋进动 84

3.7.3量子力学自旋进动 85

第4章 依赖于时间的电磁场 90

4.1概述 90

4.2相对论性运动的基本概念 90

4.2.1惯性参考系之间的长度变换和时间变换 91

4.2.2惯性参考系之间的电场和磁场的变换 92

4.3匀速运动电荷的电磁场：速度场 93

4.3.1速度场的特性 94

4.3.2大电流和强磁场的产生 96

4.3.3超短电子脉冲和磁场的产生 99

4.3.4速度场的时域特性 101

4.4加速场：电磁辐射的产生 103

4.4.1偏振的X射线：同步辐射 106

4.4.2更亮而且更短的X射线脉冲：从波荡器到自由电子激光器 113

第5章 偏振电磁波 119

5.1麦克斯韦方程及其对称性 119

5.2电磁波公式 121

5.3电磁波的强度、通量、能量和动量 123

5.4偏振电磁波的基本态 124

5.4.1光子角动量 124

5.4.2线偏振基本态 125

5.4.3圆偏振基本态 126

5.4.4圆偏振电磁波的手性和角动量 129

5.4.5单位偏振矢量的总结 130

5.5自然偏振和椭圆偏振 131

5.5.1自然偏振 131

5.5.2椭圆偏振 131

5.5.3光的偏振度 133

5.6电磁波在手性介质和磁性介质中的透射 134

第二部分 磁相互作用的历史和概念 139

第6章 交换相互作用、自旋-轨道相互作用和塞曼相互作用 140

6.1概述 140

6.2泡利方程：依赖于自旋的原子哈密顿量 142

6.2.1中心力场中的独立电子 143

6.2.2两个粒子之间的相互作用——对称化假设和不相容原理 145

6.3交换相互作用 147

6.3.1原子中的电子交换相互作用 147

6.3.2分子中的电子交换作用 152

6.3.3磁性和化学键 157

6.3.4从分子到固体 159

6.3.5海森伯哈密顿量 160

6.3.6哈巴德哈密顿量 163

6.3.7 H2的海森伯模型和哈巴德模型 164

6.3.8小结以及电子交换相互作用的一些普遍规则 170

6.4自旋-轨道相互作用 171

6.4.1原子谱的精细结构 172

6.4.2自旋-轨道相互作用的半经典模型 173

6.4.3自旋-轨道哈密顿量 174

6.4.4自旋-轨道相互作用的重要性 177

6.5洪德定则 177

6.6塞曼相互作用 179

6.6.1塞曼效应的历史和理论 179

6.6.2塞曼相互作用和交换相互作用导致的电子态分裂 184

6.6.3塞曼相互作用的重要性 186

第7章 固体中的电磁相互作用 187

7.1本章概述 187

7.2局域磁性和巡游磁性：离心势场的作用 188

7.3固体中相互作用的相对大小 194

7.4铁磁性的能带模型 198

7.4.1玻尔磁子数缺损之谜 198

7.4.2斯托纳模型 199

7.4.3能带结构的起源 203

7.4.4密度泛函理论 206

7.5配位场理论 208

7.5.1独立电子配位场理论 210

7.5.2多重态配位场理论 218

7.6电子关联和激发态的重要性 223

7.6.1氧化物为什么常常是绝缘体？ 223

7.6.2稀土和过渡族金属氧化物中的关联效应 225

7.6.3从非局域化行为到局域化行为：哈巴德模型和LDA+U模型 231

7.7过渡族金属氧化物的磁性 233

7.7.1超交换相互作用 234

7.7.2双交换相互作用 237

7.7.3庞磁阻 240

7.7.4磁铁矿的磁性质 241

7.8 RKKY交换相互作用 248

7.8.1导带电子海中的点状自旋 248

7.8.2金属多层膜 250

7.9自旋-轨道相互作用：磁晶各向异性的起源 251

7.9.1 Bruno模型 252

7.9.2各向异性化学键的描述 254

7.9.3化学键、轨道磁矩和磁晶各向异性 256

第三部分 自旋极化电子和偏振X射线技术 267

第8章 自旋极化电子和磁学 268

8.1导论 268

8.2自旋极化电子束的产生 269

8.2.1两个自旋态的分离 269

8.2.2 GaAs自旋极化电子源 270

8.3自旋极化电子和磁性材料：实验概述 272

8.4自旋极化电子的形式描述 273

8.4.1自旋的量子行为 273

8.4.2泡利旋量方法中的单个电子极化 274

8.4.3自旋极化电子电子束的描述 277

8.5自旋分析器和自旋选择器的描述 280

8.5.1入射电子束极化：自旋分析器 280

8.5.2透射电子束极化：自旋过滤器 281

8.5.3确定自旋分析器的参数 282

8.6极化电子与材料的相互作用 282

8.6.1电子束透射通过自旋过滤器 282

8.6.2自旋极化电子束与物质的基本相互作用 284

8.6.3极化电子与磁性材料的相互作用：庞加莱球 289

8.7电子极化和光子偏振之间的联系 293

8.7.1矢量场表示中的光子偏振 294

8.7.2旋量表示中的光子偏振 295

8.7.3偏振光子穿过磁性材料的透射：庞加莱方法 296

8.7.4 X射线的法拉第效应和庞加莱方法 298

8.7.5庞加莱方法和斯托克斯方法 300

第9章 偏振光子与物质的相互作用 301

9.1概述 301

9.2偏振依赖效应的术语 302

9.3电荷和自旋对X射线的散射：半经典方法 304

9.3.1单个电子的散射 304

9.3.2原子的散射 308

9.4共振相互作用：半经典方法 309

9.4.1 X射线吸收 310

9.4.2共振散射 312

9.4.3共振散射和吸收的关系 315

9.4.4克拉默斯-克勒尼希关系 316

9.5量子理论概念 317

9.5.1 X射线吸收的单电子图像和构型图像 317

9.5.2费米黄金定则和克拉默斯-海森伯关系 319

9.5.3电子偶极近似下的共振过程 320

9.5.4依赖于偏振的偶极算符 322

9.5.5原子的跃迁矩阵元 324

9.5.6固体中原子的跃迁矩阵元 327

9.6取向平均后的强度：电荷和磁矩的求和定则 330

9.6.1取向平均的共振强度 330

9.6.2电荷的强度求和定则 332

9.6.3 X射线磁圆偏振二色性效应的起源 333

9.6.4 X射线磁圆偏振二色性强度的两步模型 337

9.6.5对取向平均的求和定则 340

9.7依赖于取向的强度：电荷和磁矩的各向异性 344

9.7.1线偏振二色性的概念 344

9.7.2 X射线的自然线偏振二色性 345

9.7.3 X射线自然线偏振二色性的理论 346

9.7.4 X射线自然线偏振二色性和电荷的四极矩 349

9.7.5 X射线磁线偏振二色性 349

9.7.6 X射线磁线偏振二色性的简单理论 351

9.7.7第一类和第二类的X射线磁线偏振二色性 353

9.7.8多重态效应导致的增强型X射线磁线偏振二色性 357

9.7.9依赖于取向的求和定则 363

9.8 X射线吸收和散射中的磁二色性 365

9.8.1共振磁散射强度 366

9.8.2共振磁散射和吸收的联系 367

第10章X射线和磁学：光谱学和显微术 370

10.1导论 370

10.2概述：不同类型的X射线二色性 371

10.3 X射线吸收光谱学的实验概念 375

10.3.1一般概念 375

10.3.2实验装置 379

10.3.3实验吸收谱的定量分析 382

10.3.4一些重要的实验吸收谱 385

10.3.5磁原子X射线磁圆偏振二色性谱：从薄膜到孤立原子 387

10.3.6 X射线磁圆偏振二色性谱的求和定则分析：小团簇中增强的轨道磁矩 389

10.3.7测量小的自旋磁矩和轨道磁矩：泡利顺磁性 392

10.4用X射线进行磁成像 393

10.4.1 X射线显微术 394

10.4.2用相干散射进行无透镜的成像 397

10.4.3磁成像结果概述 401

第四部分 铁磁金属的性质和现象 409

第11章 自发磁化、各向异性和磁畴 410

11.1自发磁化 411

11.1.1分子场近似下磁化的温度依赖关系 412

11.1.2外斯-海森伯模型中的居里温度 414

11.1.3斯托纳模型中的居里温度 417

11.1.4外斯-海森伯模型和斯托纳模型中的“交换相互作用”的含义 420

11.1.5热激发：自旋波 423

11.1.6临界涨落 427

11.2磁各向异性 431

11.2.1形状各向异性 433

11.2.2磁晶各向异性 435

11.2.3表面诱导的磁各向异性的发现 436

11.3磁性微结构：磁畴和畴壁 437

11.3.1铁磁畴 437

11.3.2反铁磁性畴 440

11.4磁化曲线和磁滞回线 440

11.5小粒子中的磁性 442

11.5.1奈尔模型和斯托纳-Wohlfarth模型 442

11.5.2热稳定性 444

第12章 金属的磁性 446

12.1概述 446

12.2过渡族金属的能带理论结果 447

12.2.1态密度的基本结果 447

12.2.2磁性质的预言 448

12.3稀土金属：能带理论和原子行为 454

12.4用光谱检验铁磁性的能带模型 457

12.4.1自旋分辨的逆光电子发射 458

12.4.2自旋分辨的光电子发射 461

12.5过渡族金属的电阻率 469

12.5.1非磁性金属中的导电 469

12.5.2二流体模型 473

12.5.3金属的各向异性磁阻 476

12.6金属中自旋守恒的电子跃迁 478

12.6.1自旋守恒的跃迁和光电子发射的平均自由程 478

12.6.2利用磁隧穿晶体管确定依赖于自旋的平均自由程 480

12.6.3自旋守恒跃迁和自旋不守恒跃迁的相对概率 483

12.6.4完全的自旋极化透射实验 486

12.7金属中相反自旋态之间的跃迁 490

12.7.1相反自旋态之间的跃迁：分类 490

12.7.2相反自旋态之间的跃迁：测量 492

12.8未来的挑战 498

第五部分 当代磁学的一些主题 501

第13章 铁磁金属的表面和界面 502

13.1概述 502

13.2从铁磁金属发射自旋极化电子 502

13.2.1电子发射到真空中 503

13.2.2固体之间的自旋极化电子隧穿 507

13.2.3自旋极化电子隧穿显微术 511

13.3铁磁表面对电子的反射 513

13.3.1简单的反射实验 515

13.3.2完全的反射实验 520

13.4界面处的静磁耦合 524

13.4.1静磁耦合 525

13.4.2磁性薄膜之间的直接耦合 525

13.4.3交换偏置 527

13.4.4在顺磁性材料和抗磁性材料中诱导出来的磁性 538

13.4.5两个铁磁体通过非磁性间隔层的耦合 540

第14章 电子输运和自旋输运 544

14.1穿过铁磁体／非铁磁体界面的电流 544

14.1.1透射金属接触中的自旋堆积电压 544

14.1.2自旋的扩散方程 548

14.1.3自旋平衡过程、距离和时间 550

14.1.4巨磁阻效应（GMR） 552

14.1.5测量非铁磁体中的自旋扩散长度 557

14.1.6自旋堆积电压、边界磁阻和巨磁阻效应的典型数值 559

14.1.7界面对巨磁阻效应中的重要影响 560

14.2向铁磁体中注入自旋 561

14.2.1自旋注入转矩的起源和性质 561

14.2.2用自旋流翻转磁化：概念 568

14.2.3用自旋流激发和翻转磁化：实验 570

14.3金属和半导体中的自旋流 574

14.4基于自旋的晶体管和放大器 577

第15章 超快磁化动力学 581

15.1导论 581

15.2物理库之间的能量交换和角动量交换 584

15.2.1热动力学考虑 584

15.2.2量子力学考虑：轨道角动量的重要性 585

15.3自旋弛豫和泡利磁化率 588

15.4在激光激发后探测磁化 590

15.4.1用自旋极化的光电子产生率进行探测 591

15.4.2用能量分辨的光电子进行探测：带有自旋分析和不带有自旋分析 595

15.4.3用磁光克尔效应进行探测 600

15.5磁场脉冲激发之后的动力学 603

15.5.1用弱磁场脉冲进行激发 608

15.5.2磁涡旋的激发 611

15.6磁化的翻转 618

15.6.1平面内磁化的进动翻转 619

15.6.2用作垂直记录介质的磁化的进动式翻转 626

15.6.3自旋注入引起的翻转及其动力学 636

15.6.4关于全光学翻转的可能性 641

15.6.5全光学翻转的Hubner模型 643

15.6.6磁化的全光操纵 647

15.7 反铁磁体中的自旋动力学 648

第六部分 附录 651

A附录 652

A.1国际单位制 652

A.2矢量积 654

A.3 s轨道、p轨道和d轨道 655

A.4球张量 656

A.5球张量矩阵元的求和定则 657

A.6依赖于偏振的偶极矩算符 658

A.7 p轨道和d轨道的自旋-轨道基函数 659

A.8四极矩和X射线吸收强度 660

A.9洛伦兹线形和积分 662

A.10高斯线形及其傅里叶变换 662

A.11高斯脉冲、半周期脉冲和变换 663

参考文献 665

常见缩写和中英对照索引 703

作译者简介 740