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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