磁性量子隧道效应

磁性量子隧道效应摘要；由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿[1]。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。理论计算表明，对于能量为几电子伏的电子，方势垒的能量也是几电子伏，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为10时，粒子透射概率减小到10-10，已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。对于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在，此现象也是一种隧道效应。关键词：磁性量子隧道效应在三十年前，凝聚态物理中最有意义的发现之一是在超导体中的磁通量子化效应c^)，由此A．J．Leggett提出了宏观量子隧道效应(MQT，MacrostopicQuantumTunneling)的存在．最近几年里，Chudnovsky、Barbara等人的理论研究预言cT)，宏观量子隧道效应不单在超导体中存在，在磁性体系中亦存在宏观量——饱和磁化强度，M(r，t)，在不同亚稳态间的量子隧道跃迁现象。磁性量子隧道效应(QTM，QuanturnTunnellngofMagnet／zation)的理论促进了深入的研究。直至1991年一一1992年，天津大学青年学者X．X．Zhang所在B'arce—lona犬学的Tejada实验组和IBM的Awsc-11alomzb组在实验上观察到了M(r，t)一一的量子隧道效应c8标志着QTM研究正在进入凝聚态物理研究的最前沿。为此，美国第37届3M年会(HOuston，l992年l2月)召开特剐讨论会研讨QTM的理论进展和实验事实．①美国物理学会高度评价了Barcelona大学的实验结果，并且于1993年3月份将QTMy~为凝聚态物理今后五年重点方向之一．1．QTM理论一般来讲，QTM可划分为三种情形：(I)磁性单畴粒子或磁性粒子簇的饱和磁化强度的量子隧道效应，在此时M(rt)包含l0。一10个电子白旋，M在不同的排列方向上跃迁。(2)反磁化过程中的量子成校，尤其适于铁磁性薄膜中。(3)磁畴壁的最子相关行为或磁性孤粒子。1．1跃迁势垒夏跃迁几率(1)在磁性单畴粒子中，M(r，t)的排列方向变化受磁各向异性和外场作用。在球坐标系中，其总能量为E。=（K//+Ksin²ф~)sin²θ一MH(1一cosθ)(1)其中K//,K是各向异性常数C正交备向异性中的第一、=项)，θ是M和外场H的夹角。在不同的外场下，在HHχ=2K//÷M一时，存在两个能量极小值(如图』1)，代表M(r，t)在不同方向上的两个亚稳奋．·M在不同方向上的驰豫变化需跃过一个势垒Ub1Ub1=K//Vε²(2)这里V是单畴体积．而ε=1一H/Hk．M在两个亚稳态间的驰豫以朗道方程形式(γ是旋磁比)。从(1)一(3)式解出穿避壁垒的量子隧穿几率为KKB一玻耳兹曼常数．其中转变温度Tc为(2)同样地．在反磁化的量子成核过程中(如图2)．我们还须在各向异性能中加上一项变换能．得出势垒高度为：量子跃迁几率为转变温度：这里h是膜厚，D是畴壁厚度。(3)在磁畴壁跃过钉钆缺陷造成的势垒的量子隧道效应中(这种情形类似超导中的losephsonJunctions)．势垒是由钉钆势和外场相互作用造成．δ是畴壁表面张力；Aw是畴壁面积；ε=l—H/Hc,Hc是骄顽力．转变温度Tc满足其中hc=Hc／Hm,Hm是各向异性场；w=v。／D．。v。是畴壁运动速度，D是畴壁厚。1．2从经典热力学鞋迁封量子隧道鞋迁的转变磁化强度M(r．f)在不同的亚稳态之间的跃迁．具有一定的几率r．r由两部分组成：r=r(TA)+r(MQT)(8)r(TA)是由热运动造成的．满足一般的玻耳兹曼分布，随温度下降而减小，当T→0K时．r(TA)→o；r(MQT)是由量子隧道效应造成的跃迁，在转变温度Tc以下是和温度无关的常量。。在高温时，r(TA)起主导作用；低温时．r(MQT)起主要作用(参图3)．这样，存在一个由经典作用区间向QTM区闾的转变。温度Tc附近：由理论指出，不同的磁性材料，Tc具有0,1K到几K的量级；而且，Tc是外加磁场H的函数。1．3耗散对QTM的影响在我们考虑宏观尺度的物理量M(r，t)的隧道跃迁时必须考虑其微观尺度上的相互作用环境，即其耗散环境，因为耗散对其跃迁势垒有直接影响。耗散在接近绝对零度时降低了隧穿速度，并且在转变温度之下随着温度的上升，耗散使隧穿速度增加；耗散使转变温度区间加大，温度转变点不再那么尖锐了；另外，比如在单畴磁性粒子中，没有耗散作用的存在，M(r，t)由于热相互作用造成的自发反转就不可能出现。在磁性材料中，耗散直接影响了WKB因子B，△B／B～а，又由于r～exp(一B)，在温度从零到热作用区域，耗散都对有影响。但是，理论计算表明a～10∧-5，因此，耗散(不考虑外场)对QTM的影响是非常弱的，这样转变温度7'。区伺是非常尖锐的．2．QTM的实验事实观察磁性量子隧道效应M(r,t)理想体系是处在磁矩冻结状态的单畴无相互作用的体系，在即使很弱外场作用卞，M都排列在某一方上，当外场改变时，发生驰豫有r即(8)式给出的跃迁几率，t是时何。有两种方法验证QTM，一是利用铁磁共振(9-l0)(IBM小组)：二是测定M(r，t)不同温度下的驰豫过程CsJ．(1l～l4)(Barce-lona小组)。在前者中，由于要求粒子具有严格的几何一致性才能看到QTM共振峰，所以QTM实验事实并不明确；而在后者中，由于磁性粒子的大小纵然影响势垒形状，但并未影响转变温度Tc，因此这一方法给出了目前最好的QTM实验事实．2.1磁场滞系敢要测定M的变化，必须满足实验条件rt《1，即有足够的测量时间测定M(t)的跃迁，rt《1即等价于KBT《U，所以在极低温度下．T约为几K，能够测到M(t)的变化。在实验中，采用低外场降温至测量温度，反向磁场，用SQUID(超导量子干涉仪)测出M(t)大小随时间t的驰豫特性。考虑势垒的分布，最后确定M(r，t)的驰豫定律为其中t。是零时间，是磁粘滞系数，T是温度。从(10)式解出：这样，体系在热力学作用区间，S(T)ocT：当体系在QTM温度区间，S(T)为与温度无关阿常数S(Tc)。2.2QTM的实验观察(B)．(11～14)Barcelona大学的zhang．Tejad~等人系统地进行了单畴磁粒子M(r，t)量子隧穿，铁磁薄膜反磁化量子成核、畴壁量子跃迁等实验：(1)在Cu上淀积直径5nm的Dy粒子形成磁单畴颗粒，此纳米颗粒的S(T)～T曲线如图4所示。当温度低于2．3K时，s(T)是一个平台．与温度无关．此时M(r，t)表现出QTM效应。(H(2)在非晶铁磁SmC01．SmCo4,SmFe4,TbFe3薄膜的实验中，如图5，得出：(a)M(t)驰豫遵从1nf定律;(b)SmCo、TbFe中，当T《cT《TB时,S(T)ocT；而在SmFe中．S(T)oc¹﹢º.θ这可能由于SmFe中相互作用太强(c)在T≤Tc时，S(T)与T无关。转变点Tc非常尖锐．说明在铁磁薄膜中量子成核耗散很小：(d)由实验(图6a)给出TTbFe的S(T)和外场H的关系。首先看到随着外场增加，Tc受到了耗敲的影响．转变区域不再那么尖锐．其次，随着外场的增加，S(T)高温段斜率增加，且外延到T=oK时的S(Tc)值亦增加。这是由于随着外场增加，依(5)式．势垒高度下降．又由于(U是不同势垒上的平均)．因此，S(T)及S(Tc)随外场增加而增加(e)转变温度c和外场关系由图6b给出，这和理论的结果c。。en／z符合极好。(f)从(d)中讨论知道．若U为常数，那么T=oK时的磁粘滞系数SorM也是常数随外场增加U减小，=OK时的SQTMoc～εˉ¹．即SQTM和(1一H／Hc)成反比．实验(图6c)得出了非常一致的结论。(3)具有钉钆缺陷的畴壁是Fe(1OOnm)/Ag(1，5rim)／Fe(100nm)形成的．圈7a给出了其S(T)和T及外场H的关系：在T3.5K时．不同H下均体现QTM特性；同时在图7b中．实验指出Tcoc(1一H/Hc)¼．和理论预测结果((7’)式)一致。综合(1)、(2)(3)的实验结果．在磁性材料中确实存在QTM理象，实验结论和理论取得一致。3．QTM的意义QTM是一种宏观量子隧道效应，所有宏观量隧道效应的最直接应用在于量子器件，比如ISQUID中的约瑟夫森结等等．因此．QTM在量子测量上有广泛的应用前景．在基础理论和实验技术上有巨大潜力。宏观量子效应，在QTM中，联结的是一条宏观现实与微观环境的纽带。qTM目前研究正处予介观体系．涉及约10ˇ5个原子或自旋。对QTM的理解有助子理解微观可测的量子化效应(使用宏观仪器)和宏观直接测量到的量子化效应(如果存在)的关系。最近的研究已强调到Bohr对应原理并非完全正确对于QTM中耗散情形研究．可更深入地了解宏观体系与其耗散环境的相互作用．对耗散作用有更新的理解。耗散研究一直是近年来凝聚态物理的前滑。另外一个显而易见的QTM前景在于未来的信息存储。图8给出了l950年塔来存储lblt信息使用的披禾和所需的豫子数。当存储lbit所用原子数越来越少时．在室温下由于热运动，磁性记忆不稳定．因此为了提高稳定性必须在更低温度存储。比如．在低于转变温度Tc的QTM区间，设T=1K，我们要使一个记录保存30年(～10θs)，按Chudnovsky和Gunther等人的理论，需磁性粒子的大小折合成只含几百个自旋．即在纳米量级。这样，在存储信息时，对存储单元尺寸的限制就大大减小了，因此，利用QTM现象可以大大提高磁存储的密度和稳定度。参考文献