磁性の基礎(ZFCの状態）

質問

磁性初心者です．すみません．
ZFC（zero field cool)の状態とはゼロ磁場で高温での磁化の状態そのままで冷やすということはわかるのですが
このとき格子の振動ともにスピンも止まるということ
なのでしょうか？
１格子の振動が止まる=電子もとまる
２格子の振動が止まる=電子は止まらない

電子が止まると考えると（違うに決まっているが）
スピンは消えるし，電子は止まっていないとすると
磁場をかけたとき反応してしまいそうな気がするし・・

格子の振動とZFCがどういう意味を持っているのか
教えてください．強磁性とか反強磁性を例に教えていただけると幸いです
お願いします

回答No.4

hagiwara_m · ベストアンサー

hagiwara_mです。その後の追加質問を出しておられないようですが、少しだけ補足いたします。

各原子のスピン（以下単にスピン）の向きを左右するのは、各スピンに作用するトルクでなければなりません。格子振動は、基本的には並進運動ですから、このトルクの直接の原因になりません。しかし、厳密には、様々な相互作用を介して、スピンの向きの揺らぎと格子振動は結びついており、結果として、スピン系とスピンを持たない系との間の熱平衡も実現します。格子振動のエネルギーを奪ってやれば、スピン系の温度も下がり、スピンの回転が揺らぐ効果が小さくなるというのは、お考えの通りです。

しかし、スピンが何らかの揃った状態で固定化するのは、温度が下がるという理由だけで起こるのではありません。絶対零度よりもずっと高い温度で、揃ってしまう物質はたくさんあります。

スピンを結晶に対して特定の方向に揃えようとする効果が異方性エネルギーです。また、隣り合うスピン間の方向関係を揃えようとする効果は、（主として）交換相互作用という量子力学的な効果です。

このように、スピンの向きを、固定化しようとする効果と、揺らがせようとする効果の両者があり、そのせめぎ合いの結果として、ある絶対零度でない温度で、スピンの整列が起こります。

お礼

おそくなってすみません．交換相互作用と揺らぎの効果
によるものなのですね．電子が止まらないという理由も
わかりました．わざわざありがとうございました．

回答No.3

hagiwara_m

No.1の補足質問にお答えすべきなのですが、ちょっと時間がありません。とりあえず、簡単なコメントを記しますので、場合によってはまた質問して下さい。

磁性の扱いでは、格子振動を直接には問題にしないのが普通です。結晶格子は幾何学的に完全に固定しているものとし、その各格子点に原子のもつ固有磁気モーメント（スピン）のベクトルを並べるモデルがよく使われます。これをスピン系のベクトルモデルといいます。（このモデルで温度をどう定義するのかという問題については、別途議論が必要です）

このようなモデルでは、温度によって揺らぐのは、ベクトルスピンの向きです。

凍結や秩序化と言うのは、このスピンの向きの配列パターンが（ほぼ）固定して動かなくなることです。このようなスピンの配列は、スピンが感じる磁気的な内部場によって引き起こされます。Tcの高い物質では、ガンガン格子振動が起こっている数百℃の温度でも、ちゃんとスピンが揃ってしまいます。

回答No.2

Mell-Lily

「スピン」という概念について、少々、誤解していらっしゃるように思われます。スピンというのは、運動状態を表しているわけではないのです。つまり、電子は、実際に、回転運動をしているわけではないのです。確かに、スピンのことを「角運動量」と言いますが、これは、古典力学の言葉を引用しているだけであって、本質的には全く異なる概念を指しています。電子は、スピンと呼ばれる自由度をもっている（スピンは内部自由度とも呼ばれます）、あるいは、スピンという属性をもっているという言い方が適切かもしれません。
従って、たとえ絶対零度でも、スピンが消えることはありません。絶対零度で磁場を掛ければ、強磁性体は完全に磁化されます。つまり、全ての（磁化の原因となる）電子のスピンが揃います。絶対零度以上の温度では、ある電子のスピンが反平行になる確率が存在します。

補足

>絶対零度で磁場を掛ければ、強磁性体は完全に磁化されます。
ということはFCとZFCの違いはないと言う事になりませんか?
強磁性体のZFCとFCの振る舞いはご存知のとおり全く違うと思います．
補足お願いします．

回答No.1

hagiwara_m

誤解されているところがいくつかあるようですので、ご質問に沿ったお答えがちょっと難しいです。

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先ず以下のことをご確認下さい。

(1)物質の磁性は、主として電子がつくる磁気モーメントすなわち電子の角運動量によって担われる。
(2)電子の角運動量には、軌道角運動量とスピン角運動量がある。
(3)スピン角運動量は、電子という素粒子の基本性質であって、±h'/2以外の値をとることはない(h'はエイチバーのつもり)。
(4)物質中の原子に局在した固有磁気モーメントがある場合、この原子の磁気モーメントをスピンと呼ぶ場合がある。
(5)原子というのは、原子核に捕われた電子が運動エネルギーをもって空間に一定の広がりを与えている定常状態である。原子中の電子が止まった状態というのはあり得ない。
(6)絶対零度でも（量子力学的）零点振動は残る。
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ということで、ZFCの話に戻りますと、ZFCというのは、磁場中冷却(FC)との対比において使われる表現です。要するに、意識的に磁場を印加したりせずに温度を下げていく過程のことです。「高温での磁化の状態そのまま」というわけではなく、むしろ、各温度で、ゼロ磁場中の平衡状態が実現していると考える場合に相当します。スピングラスなどでは、ZFCでスピンの向きがバラバラに凍結します。しかし、FCを行うと、印加磁場の方向にある程度の磁化が出た状態で凍結します。そのため、ZFCとFCで、観測される磁化に差が出るわけです。

補足

ありがとうございます．認識はしているつもりですが言葉の使い方に慣れていないですね．

凍結状態というのはどういった状態でしょうか?
格子振動が弱くなった状態と認識していますが
この「凍結」状態に磁場を印加したとき
スピンも凍結していて磁場に応答しないのでしょうか?
スピンも凍結する原理は?
凍結状態の格子振動とスピンの関係について
よくわからないんですが・・
すみません．おひまでしたらお願いします