Un magnón es una cuasipartícula , una excitación colectiva de la estructura de espín de un electrón en una red cristalina . En la imagen ondulatoria equivalente de la mecánica cuántica, un magnón puede verse como una onda de espín cuantificada . Los magnones transportan una cantidad fija de energía y momento reticular , y tienen espín 1, lo que indica que obedecen al comportamiento de los bosones .
El concepto de magnón fue introducido en 1930 por Felix Bloch [1] para explicar la reducción de la magnetización espontánea en un ferroimán . A una temperatura del cero absoluto (0 K), un ferroimán de Heisenberg alcanza el estado de menor energía (el llamado estado fundamental ), en el que todos los espines atómicos (y, por tanto, los momentos magnéticos ) apuntan en la misma dirección. A medida que aumenta la temperatura, más y más espines se desvían aleatoriamente de la alineación, aumentando la energía interna y reduciendo la magnetización neta. Si consideramos el estado perfectamente magnetizado a temperatura cero como el estado de vacío del ferroimán, el estado de baja temperatura con algunos espines desalineados puede verse como un gas de cuasipartículas, en este caso magnones. Cada magnón reduce el giro total a lo largo de la dirección de magnetización en una unidad de (constante de Planck reducida) y la magnetización en , donde es la relación giromagnética . Esto lleva a la ley de Bloch para la dependencia de la temperatura de la magnetización espontánea:
donde es la temperatura crítica (dependiente del material) y es la magnitud de la magnetización espontánea.
La teoría cuantitativa de los magnones, ondas de espín cuantificadas , fue desarrollada aún más por Theodore Holstein y Henry Primakoff , [2] y luego por Freeman Dyson . [3] Utilizando el segundo formalismo de cuantificación, demostraron que los magnones se comportan como cuasipartículas que interactúan débilmente y obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein ( bosones ). Se puede encontrar un tratamiento completo en el libro de texto sobre estado sólido de Charles Kittel [4] o en el artículo de revisión inicial de Van Kranendonk y Van Vleck. [5]
Bertram Brockhouse logró en 1957 la detección experimental directa de magnones mediante dispersión inelástica de neutrones en ferrita . [6] Desde entonces se han detectado magnones en ferromagnetos , ferrimagnetos y antiferromagnetos .
El hecho de que los magnones obedezcan las estadísticas de Bose-Einstein fue confirmado por los experimentos de dispersión de la luz realizados entre los años 1960 y 1980. La teoría clásica predice igual intensidad 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 , entonces la línea de Stokes se vuelve más intensa, como se desprende de las estadísticas de Bose-Einstein. Nikuni et al. demostraron la condensación de magnones de Bose-Einstein en un antiferroimán a bajas temperaturas . [7] y en un ferrimagnet por Demokritov et al. a temperatura ambiente. [8] En 2015, Uchida et al. informaron la generación de corrientes de espín por resonancia de plasmón superficial. [9]
Los paramagnones son magnones en materiales magnéticos que se encuentran en su fase desordenada ( paramagnética ) de alta temperatura. Para temperaturas suficientemente bajas, los momentos magnéticos atómicos locales (espines) en compuestos ferromagnéticos o antiferromagnéticos se ordenarán. Pequeñas oscilaciones de los momentos alrededor de su dirección natural se propagarán como ondas (magnones). A temperaturas superiores a la temperatura crítica , el orden de largo alcance se pierde, pero los espines aún se alinearán localmente en parches, lo que permitirá que las ondas de espín se propaguen a distancias cortas. Estas ondas se conocen como paramagnon y se someten a transporte difusivo (en lugar de balístico o de largo alcance).
El concepto fue propuesto por primera vez basándose en las fluctuaciones de espín en los 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 Magnon se puede estudiar con una variedad de técnicas de dispersión. Los magnones se comportan como un gas Bose sin potencial químico. El bombeo por microondas se puede utilizar para excitar ondas de espín y crear magnones adicionales en desequilibrio que se termalizan en fonones . En una densidad crítica se forma un condensado, que aparece como la emisión de microondas monocromáticas. Esta fuente de microondas se puede sintonizar con un campo magnético aplicado.
![{\displaystyle M(T)=M_{0}\left[1-\left({\frac {T}{T_{c}}}\right)^{3/2}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e67d81e52e58f5578b90c30348471d5df749c6db)
