Magnon

Un magnón es una cuasipartícula , una excitación colectiva de la estructura de espín de un electrón en una red cristalina . En la representación ondulatoria equivalente de la mecánica cuántica, un magnón puede considerarse como una onda de espín cuantizada . Los magnones poseen una cantidad fija de energía y momento de red , y son de espín 1, lo que indica que se comportan como bosones .

Felix Bloch introdujo el concepto de magnón en 1930 ^{[ 1 ]} para explicar la reducción de la magnetización espontánea en un ferromagneto . A temperatura cero absoluta  (0 K), un ferromagneto de Heisenberg alcanza el estado de energía más baja (el llamado estado fundamental ), en el que todos los espines atómicos (y por lo tanto los momentos magnéticos ) apuntan en la misma dirección. A medida que aumenta la temperatura, cada vez más espines se desvían aleatoriamente de la alineación, aumentando la energía interna y reduciendo la magnetización neta. Si se considera el estado perfectamente magnetizado a temperatura cero como el estado de vacío del ferromagneto, se muestra el estado de baja temperatura con algunos espines desalineados como un gas de cuasipartículas, en este caso magnones. Cada magnón reduce el espín total a lo largo de la dirección de magnetización en una unidad de${\displaystyle \hbar }$(la constante de Planck reducida) y la magnetización por${\displaystyle \gamma \hbar }$, dónde${\displaystyle \gamma }$es la relación giromagnética . Esto conduce a la ley de Bloch para la dependencia de la magnetización espontánea con la temperatura:

${\displaystyle M(T)=M_{0}\left[1-\left({\frac {T}{T_{\text{c}}}}\right)^{3/2}\right]}$

dónde${\displaystyle T_{\text{c}}}$es la temperatura crítica (dependiente del material), y${\displaystyle M_{0}}$es la magnitud de la magnetización espontánea.

Theodore Holstein y Henry Primakoff , ^{[ 2 ]} y luego Freeman Dyson desarrollaron aún más la teoría cuantitativa de los magnones, ondas de espín cuantizadas . ^{[ 3 ]} Utilizando el formalismo de segunda cuantización, demostraron que los magnones se comportan como cuasipartículas de interacción débil que obedecen la estadística de Bose-Einstein para bosones . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Bertram Brockhouse logró la detección experimental directa de magnones mediante dispersión inelástica de neutrones en ferrita en 1957. ^{[ 6 ]} Posteriormente se detectaron magnones en ferromagnetos , ferrimagnetos y antiferromagnetos .

El hecho de que los magnones obedezcan la estadística de Bose-Einstein fue confirmado por experimentos de dispersión de luz realizados durante las décadas de 1960 a 1980. La teoría clásica predice una intensidad igual de las líneas de Stokes y anti-Stokes . Sin embargo, la dispersión mostró que si la energía del magnón es comparable o menor que la energía térmica, o${\displaystyle \hbar \omega <k_{\text{B}}T}$Entonces, la línea de Stokes se vuelve más intensa, como se deduce de la estadística de Bose-Einstein. La condensación de magnones de Bose-Einstein fue demostrada en un antiferromagneto a bajas temperaturas por Nikuni et al . ^{[ 7 ]} y en un ferrimagneto por Demokritov et al. a temperatura ambiente. ^{[ 8 ]} En 2015, Uchida et al. informaron sobre la generación de corrientes de espín por resonancia de plasmones superficiales. ^{[ 9 ]}

Los paramagnones son magnones en materiales magnéticos que se encuentran en su fase desordenada ( paramagnética ) a alta temperatura. A temperaturas suficientemente bajas, los momentos magnéticos atómicos locales (espines) en compuestos ferromagnéticos o antiferromagnéticos se ordenan. Pequeñas oscilaciones de los momentos alrededor de su dirección natural se propagan como ondas (magnones). A temperaturas superiores a la temperatura crítica , se pierde el orden de largo alcance, pero los espines se alinean localmente (en regiones), lo que permite que las ondas de espín se propaguen a corta distancia. Estas ondas se conocen como paramagnones y experimentan un transporte difusivo (en lugar de balístico o de largo alcance).

El concepto fue propuesto basándose en las fluctuaciones de espín en metales de transición , por Berk y Schrieffer ^{[ 10 ]} y Doniach y Engelsberg, ^{[ 11 ]} para explicar la repulsión adicional entre electrones en algunos metales, que reduce la temperatura crítica para la superconductividad .

El comportamiento de los magnones puede estudiarse mediante diversas técnicas de dispersión. Los magnones se comportan como un gas de Bose sin potencial químico. El bombeo por microondas puede utilizarse para excitar ondas de espín y generar magnones adicionales fuera del equilibrio, que se termalizan en fonones . A una densidad crítica, se forma un condensado que se manifiesta como la emisión de microondas monocromáticas. Esta fuente de microondas puede ajustarse mediante la aplicación de un campo magnético.

• Magnónica
• Transformación de Holstein-Primakoff
• polaritón de magnón superficial

• P. Schewe; B. Stein, Física (21 de septiembre de 2005). "Inside Science Research News Update 746 , #2" . Archivado del original el 10 de abril de 2013.
• Kimel, AV; Kirilyuk, A.; Rasing, TH (2007). "Optomagnetismo de femtosegundos: manipulación láser ultrarrápida de materiales magnéticos" . Laser & Photonics Reviews . 1 (3): 275– 287. Bibcode : 2007LPRv....1..275K . doi : 10.1002/lpor.200710022 . hdl : 2066/34779 .