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ㄧ、固体中的相对论效应
固體材料中豐富多彩的相對論效應
文/郭光宇
大概由於我們周遭的固體都處於靜止狀態或低速運動,愛因斯坦的狹義相對論對固體物性的影響往往不受重視或被忽略。本文介紹一些有趣的固體的相對論效應如磁晶異向能,圓偏振光雙向色性,柯爾效應和自旋霍爾效應,同時嘗試說服讀者,相對論對固體的影響不但“看得見”、”聽得着”,而且在日常生活及工業技術上扮演不可或缺的角色。本文也簡介如何利用第一原理理論計算固體的相對論效應以及筆者的一些相關研究成果。
今年(2005)是世界物理年,慶祝和宣揚活動在世界各國熱烈展開。整整100年前,愛因斯坦發表了關於狹義相對論,電磁輻射和布朗運動等劃時代的論文,改變了整個物理學乃至整個科學的面貌。廣為人知的是愛因斯坦的狹義相對論及其奇異的預言,如在高速運動的物體上的時鐘變緩,導致著名的雙胞胎效應等。
大家日常生活中看到的大部分固體是處於靜止狀態或是作緩慢變化,所以許多讀者會以為愛因斯坦的狹義相對論和固體物理毫無相關。你這樣就錯了。其實,你應該是”看得見”、”聽得着”固體的相對論效應的。
圖一固體磁光效應示意圖。
相對論不但對多數固體的物性有較大的影響,尤其是那些含有重元素的材料,而且還會導致一些現象無法用其他理論來解釋。比如,金之所以顯示特有的金黃顏色是因為其外層(價)電子的相對論行為。假設你關掉相對論效應,金的顏色會變成銀白色,可能就不那麽貴重了。另一個著名的例子是大家熟悉的法拉第(Faraday)效應。1888年,法拉第發現,當一束線偏
圖二:超薄磁薄膜的磁晶異向能示意圖。(a) 垂直磁化,(b) 平面磁化。這兩個不同磁化方向的能量之差便是磁晶異向能。
振的光透射過一塊磁鐵時,透射光變成橢圓偏振且其主軸與原偏振方向成一定的夾角,這個夾角稱為法拉第旋轉角 (見圖一)。數十年之后 (1950年代),人們才知道這個效應是由電子在磁鐵中的相對論運動而導致的。在固體物理中,重要的相對論效應還有磁晶異向能 (見圖二) ,角動量磁矩,柯爾(Kerr)效應(1845) (見圖一) 及X光吸收、螢光和光電發射等實驗中的線偏振和圓偏振磁光雙向色性 (見圖三)。柯爾效應指的是被磁體表面反射的光的偏振方向的旋轉。雖然圓偏振磁X光雙向色性通常叫磁光效應,法拉第和柯爾效應也是磁光效應,因為他們倆也都是由於磁性材料對左旋和右旋的圓偏振光吸收率不同而引起的。
讀者自然會問這些有趣的相對論效應是怎樣出現的。大家知道一塊固體是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成,原子核基本固定在晶格點陣上而電子則在原子核間運動。在原子核附近,電子感受到很強的核吸引力,而且原子核越大(或元素越重),這個吸引力也越大。為了避免被原子核吸住,電子便繞著原子核做高速運動,這樣電子和原子核間的勢能便被電子的離心動能補償。這就是大家能在日常生活中看到許多固體的相對論效應的原因。
第一原理材料理論計算目前主要仰賴于密度泛函理論[1, 2]。在非相對論量子力學的架構上,密度泛函理論把複雜的固體的多電子問題簡化為求解一組等效的單電子的薛丁格—泡利(Schr?dinger-Pauli)方程
這組方程亦稱柯恩(Kohn)—沈(Sham)方程,其中和分別是固體中有效的單電子位能和有效磁場強度。這些單電子位能和磁場強度由自洽場方法決定,不含由實驗决定的經驗參數。
然而,理論探討前面所提到的固體的相對論效應,應該從相對論量子力學或量子電動力學出發。聽起來好像很難,很唬人。幸運的是,這種相對論密度泛函理論仍然可以把固體的多電子問題近似地簡化為求解一組自洽的單電子狄拉克(Dirac)方程 [3]
這組方程亦稱柯思—沈—狄拉克方程。解完此柯思—沈—狄拉克方程,固體的物性如自旋和軌道磁矩、磁晶異向能便可算出。
在低能的情況下,狄拉克方程(2)可以對(1/c)2 (c為光速) 作展開。因此,狄拉克方程可近似改寫成[4, 5]
和薛丁格—泡利方程相比,這個方程多了三項(等式左邊第4, 5, 6項),其中第4, 5相對論修正項稱為質量—速度(mass-velocity) 和達爾文(Darwin)修正項。這兩項不會造成對稱破缺(symmetry breaking),僅會上下移動能帶位置。這兩項統稱純量(scalar)相對論修正,容易加進現成的能帶計算程式而且大體上不增加計算時間。因此,絕大部分能帶計算程式集如常用的WIEN2k和VASP都自動包含這兩個修正項。第6項則叫做自旋—軌道耦合(spin-orbit coupling)項,它會引起新的對稱破缺,破壞能帶的簡併,尤其在磁性固體中,自旋—軌道耦合項會造成時間反演對稱 (time-reversal symmetry)破缺,從而帶來眾多的奇妙的相對論效應,如法拉第旋轉,柯爾效應,軌道角動量磁矩等。讀者不難由方程式(3)看出,
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