Un magnón es una cuasipartícula , una excitación colectiva de la estructura de espín de un electrón en una red cristalina . En la imagen de onda equivalente de la mecánica cuántica, un magnón puede verse como una onda de espín cuantizada . Los magnones tienen una cantidad fija de energía y momento reticular , y tienen espín 1, lo que indica que obedecen al comportamiento de un bosón .
El concepto de magnón fue introducido en 1930 por Felix Bloch [1] para explicar la reducción de la magnetización espontánea en un ferroimán . A temperatura cero absoluta (0 K), un ferroimán 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, lo que aumenta la energía interna y reduce la magnetización neta. Si se considera 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 espín total a lo largo de la dirección de magnetización en una unidad de (la constante de Planck reducida) y la magnetización en , donde es la relación giromagnética . Esto conduce 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, las ondas de espín cuantizadas , fue desarrollada posteriormente por Theodore Holstein y Henry Primakoff [2] y luego por Freeman Dyson [3] . Utilizando el segundo formalismo de cuantización, 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 el estado sólido de Charles Kittel [4] o en el artículo de revisión inicial de Van Kranendonk y Van Vleck [5] .
La detección experimental directa de magnones mediante dispersión inelástica de neutrones en ferrita fue lograda en 1957 por Bertram Brockhouse . [6] Desde entonces, se han detectado magnones en ferroimanes , ferriimanes y antiferroimanes .
El hecho de que los magnones obedezcan la estadística de Bose-Einstein fue confirmado por los experimentos de dispersión de luz realizados entre los años 1960 y 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 , entonces la línea de Stokes se vuelve más intensa, como se deduce de la estadística de Bose-Einstein. La condensación de Bose-Einstein de los magnones fue probada en un antiferromagnético a bajas temperaturas por Nikuni et al . [7] y en un ferrimagnético por Demokritov et al. a temperatura ambiente. [8] En 2015, Uchida et al. informaron sobre la generación de corrientes de espín por resonancia de plasmón superficial. [9]
Los paramagnones son magnones presentes en los materiales magnéticos que se encuentran en su fase desordenada ( paramagnética ) de alta temperatura. Para temperaturas lo suficientemente bajas, los momentos magnéticos atómicos locales (espines) en compuestos ferromagnéticos o antiferromagnéticos se ordenarán. Las pequeñas oscilaciones de los momentos alrededor de su dirección natural se propagarán como ondas (magnones). A temperaturas superiores a la temperatura crítica , se pierde el orden de largo alcance, pero los espines se alinearán localmente en parches, lo que permitirá que las ondas de espín se propaguen a distancias cortas. Estas ondas se conocen como paramagnones y experimentan transporte difusivo (en lugar de balístico o de largo alcance).
El concepto fue propuesto por primera vez con base 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, lo que reduce la temperatura crítica para la superconductividad .
El comportamiento de los magnones se puede estudiar con una variedad de técnicas de dispersión. Los magnones se comportan como un gas de Bose sin potencial químico. El bombeo de microondas se puede utilizar para excitar ondas de espín y crear magnones adicionales fuera de equilibrio 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}[1-({\frac {T}{T_{\text{c}}}}\right)^{3/2}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/df825755a6fbb951c0c91c72f0f7af985371b26b)
