diamagnétisme et paramagnétisme

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Diamagnétisme et paramagnétisme H = H 0 + μ B B !" . L !" + e 2 8m ( B !" ! r " ) 2 terme diamagnétique H dia H dia = e 2 8m B 2 u z !" ! ! ( xu " x + yu " y ) " # $ % 2 = e 2 8m B 2 (& yu " x + xu " y ) 2 = e 2 8m B 2 ( x 2 + y 2 ) B !" = Bu " z si H dia toujours positif diamagnétisme de Larmor μ !" dia B !" μ !" dia = ! "H dia " B !" = ! e 2 4 m B 0 ( x 2 + y 2 )u " z anti // à μ !" dia B !" nul si B=0 H dia << H z en général: (exceptions!) H dia H z ! 10 "6 B(T ) ! a 0 2

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Page 1: Diamagnétisme et paramagnétisme

Diamagnétisme et paramagnétisme

H = H0 +µB B!".L!"+e2

8m(B!"!r")2

terme diamagnétique Hdia

Hdia =e2

8mB2 uz!"!!(xu"x + yu"y )"

#$%2=e2

8mB2 (&yu

"x + xu"y )2 = e2

8mB2 (x2 + y2 )

B!"= Bu"zsi

Hdia toujours positif

diamagnétisme de Larmor

µ!"dia

B!"

µ!"dia = !

"Hdia

"B!" = !

e2

4mB0 (x

2 + y2 )u"z

anti // à µ!"dia B

!"

nul si B=0

Hdia << Hzen général:

(exceptions!)

Hdia

Hz

!10"6B(T )

! a02

Page 2: Diamagnétisme et paramagnétisme

spin

Spin = moment magnétique intrinsèque de l’électron

µ!"spin = !gµB.S

"g ! 2 (cf. équation de Dirac)

S2 s,ms = s(s+1) s,ms

Sz s,ms =ms s,ms

ms = ±12

s = 12

électron:

µ!"spin

S!

couplage spin-orbite

contribution additionnelle au terme Zeeman Hz

Hz = µB (L!"+ gS").B!"

µ!"para = !µB.(L

!"+ gS")2 composantes au moment magnétique atomique:

orbitale spin

Page 3: Diamagnétisme et paramagnétisme

Couplage spin orbite (I)

+Ze -e

v!

+Ze

-e

!v!

changement de référentiel

S!

Beff

l’électron sent un champ magnétique effectif Beff du au mouvement relatif de la charge du noyau

dans le référentiel de l’électron on a: B!"eff = !

v""E!"

cv2

c2<<1si avec E

!"= !"! "!!! = !

r!

rd!drsym. sphérique

HSO = µB S!.B"!eff = µB

1rcd!drS!.(v!!r!) = "µB

#rcm

d!drS!.L"!

couplage spin – Beff Hamiltonien spin-orbite

!!L"#

m= v#"r#

HSO = !S!.L"! •  traitement exact: équation de Dirac (même résultat à un facteur 2 près)

•  λ positif et croît avec nombre atomique Z •  conséquence importante: L et S ne sont plus de bons nombres quantiques!

Page 4: Diamagnétisme et paramagnétisme

Couplage spin orbite (II)

H = H0 +!S!.L"!

HSO,L2!" #$= 0

HSO,S2!" #$= 0

H0,HSO[ ] = 0

•  ms et ml ne sont plus des bons nombres quantiques •  Il existe une base d’états propres commune

Relations de commutations

Li,Lj!" #$= i!!ijkLkSi,Sj!" #$= i!!ijkSkL2,Li!" #$= 0

S2,Si!" #$= 0

HSO,Lz[ ] ! 0HSO,Sz[ ] ! 0

sym. sphérique (L2)

J!"= L!"+ S"

Moment cinétique total

Jz,L!".S"

!"

#$= Lz,L

!".S"

!"

#$+ Sz,L

!".S"

!"

#$= 0

J 2 = L2 + S2 + 2L!".S"

J 2,L!".S"

!"

#$= 0 j, mj, l et s bons nombres quantiques

Spectre de structure fine

!Ejls = jmjls HSO jmjls = ! jmjls(J 2 " S2 " L2 )

2jmjls =

!2

j( j +1)" l(l +1)" s(s+1)( )

levée de dégénérescence (2l+1)(2s+1) à B=0

58

Couplage Spin-Orbite

Effet relativiste atomes lourdsDégénérescence (2L+1)(2S+1) abaissée par le couplage spin-orbite

L et S pas si bons que ça…

H s.o. = A!! L !! S

! J =! L +! S + J du moment cinétique total

H s.o. = A!! L !! S = A

2(J(J +1) " S(S +1) " L(L +1))

"3ème" règle :Une fois formés L et S à partir des règles de Hund, le nombre de moment total J correspondant à l'état de plus basse énergie est :

J = |L-S|, pour une couche (n,l) moins qu'à moitié remplie.J = L+S, pour une couche (n,l) plus qu'à moitié remplie.

Pr3+ : 4f2 L = 5 S = 1 J = |L-S|= 4

J = L+S

J = |L-S|

J = L+S-1

J = |L-S|+1hiérarchie selon le signe de A

A > 0A < 0

V.1 Le magnétisme localisé : magnétisme atomique

Page 5: Diamagnétisme et paramagnétisme

Couplage spin orbite vs effet Zeeman

H = H0 +Hz +HSO +HdiaHamiltonien total

Hz,HSO[ ] ! 0HSO = !!S!.L"!

2 perturbations

Hz = µB (L!"+ gS").B!"

Hz, J2!" #$% 0

Hz, Jz[ ] = 0j n’est plus en bon nombre quantique en champ

j, mj, l et s bons nombres quantiques Hz est traité en perturbation sur les états

2 régimes •  champs faibles

•  champs forts

Hz << HSO

Ejls = E0 +!2

j( j +1)! l(l +1)! s(s+1)( )

jmjls

Hz >> HSO

l, s, ml et ms bons nombres quantiques HSO est traité en perturbation sur les états lsml ms

classique: J précesse autour de B

classique: L et S précessent autour de B

Page 6: Diamagnétisme et paramagnétisme

Limite bas champ: facteur de Landé (I)

limite très bas champ: développement en perturbation de Hz au premier ordre

!Ez = jmjls µB (L!"+ 2S").B!"jmjls +

jmjls µB (L!"+ 2S").B!"j 'mjls

2

Ej "Ej 'j '# +.....

$ jmjls µB (L!"+ 2S").B!"jmjls = µBB jmjls (Jz + Sz ) jmjls

Ejls = E0 +!2

j( j +1)! l(l +1)! s(s+1)( )spectre non-perturbé

58

Couplage Spin-Orbite

Effet relativiste atomes lourdsDégénérescence (2L+1)(2S+1) abaissée par le couplage spin-orbite

L et S pas si bons que ça…

H s.o. = A!! L !! S

! J =! L +! S + J du moment cinétique total

H s.o. = A!! L !! S = A

2(J(J +1) " S(S +1) " L(L +1))

"3ème" règle :Une fois formés L et S à partir des règles de Hund, le nombre de moment total J correspondant à l'état de plus basse énergie est :

J = |L-S|, pour une couche (n,l) moins qu'à moitié remplie.J = L+S, pour une couche (n,l) plus qu'à moitié remplie.

Pr3+ : 4f2 L = 5 S = 1 J = |L-S|= 4

J = L+S

J = |L-S|

J = L+S-1

J = |L-S|+1hiérarchie selon le signe de A

A > 0A < 0

V.1 Le magnétisme localisé : magnétisme atomique

jmjls Jz jmjls =mj

jmjls Sz jmjls = ?

Dans la plupart des cas HZ<<HSO

théorème de Wigner-Eckart

jmjls Ti jmjls =jmjls T

!".J!"jmjls

j( j +1)jmjls Ji jmjls

« les valeurs moyennes d’opérateurs tensoriels sphériques sont proportionnels » ici Sz et Jz

Page 7: Diamagnétisme et paramagnétisme

Limite bas champ: facteur de Landé (II)

jmjls Sz jmjls =jmjls S

!.J"!jmjls

j( j +1)jmjls Jz jmjls =

jmjls S!.L"!+ S2 ) jmjls

j( j +1)mj

=jmjls

J 2 ! S2 ! L2

2+ S2 ) jmjls

j( j +1)mj =

j( j +1)+ s(s+1)! l(l +1)2 j( j +1)

mj

!Ez = µBB jmjls (Jz + Sz ) jmjls =mj 1+j( j +1)+ s(s+1)" l(l +1)

j( j +1)#

$%

&

'(

application à Sz

Hz = µBgJ J!".B!"

gJ =1+j( j +1)+ s(s+1)! l(l +1)

j( j +1)facteur de Landé: effet Zeeman  effectif

µ!"para = !µBgJ J

!"moment magnétique effectif

Page 8: Diamagnétisme et paramagnétisme

Limite bas champ: facteur de Landé (III)

soit: orbitale l et s=1/2 j = l ± 12

Ejls = E0 +!2

j( j +1)! l(l +1)! s(s+1)( )

!E = El+1/2 "El"1/2 = !(l +12)2 niveaux:

B=0 l+1/2

l-1/2 ΔΕ

B≠0 levée de dégénérescence des mj

Ejmjls= µBmjgJB mj =ml +ms

mj ! " j, j[ ]2j+1 niveaux

l+1/2

l-1/2

B Exemple l=3  et s=1/2 donc j=7/2, 5/2

g7/2=81/63=1.29 8 niveaux

g5/2=25/35=0.71 6 niveaux ΔE=7/2 λ gJ =1+

j( j +1)+ s(s+1)! l(l +1)j( j +1)

Page 9: Diamagnétisme et paramagnétisme

Magnétisme atomique à N électrons

(1) Hee écrante l’interaction électron-noyau: symétrie sphérique préservée (2) interaction électrostatique forte: ≈ eV

HSO << Hee

L!"= L!"i

i!

S"= S"i

i!

bons nombres quantiques en absence de spin-orbite

•  N électrons: interaction coulombienne électron-électron •  le problème devient à N corps: pas de solution générale

H = H0 +HSO +Hee

« super électron » L, S et J: approximation de Russel-Saunders (valide pour Z<50, déviation au delà)

HSO = !i L!"i.S"i

i! " !(l, s)L

!".S"

J!"= J!"i

i! bon nombre quantique si spin-orbite faible:

on néglige la structure fine des Ji

L2 ! Li2

i"note:

Page 10: Diamagnétisme et paramagnétisme

Règles de Hund

Règles de Hund: remplissage des orbitales pour état fondamental (L, S, J)

Règles semi-empiriques: minimiser l’interaction coulombienne puis spin-orbite + principe de Pauli HSO << Hee

1ère règle: s est maximum 2ème règle: l est maximum 3ème règle: si orbitale plus qu’à moitié remplie

si orbitale moins qu’à moitié remplie

j = l + s

j = l ! s

minimise interaction coulombienne direct / échange intra-atomique

spin-orbite: signe de λ(L,S)

ex: Pr3+ (4f2) l=5, s=1 et j=4 mj ! "4,+4[ ]9 valeurs du moment magnétique

Hz = µBgJ J!".B!"

57

1ère règle: Distributions des électrons sur tous les états d'orbite

+ principe de Pauli projection maximale de spin

Ex : 4f2sz

3210-1-2-3m S = Szmax= 1

2ème règle:

sz

3210-1-2-3m

Occupation des états d'orbite de m grand

Fonctions d'ondes "noueuses" faible recouvrement moyen

L = Lzmax= 5

Pr3+ : 4f2 L = 5 S = 1 terme fondamental

Règles de Hund : application

V.1 Le magnétisme localisé : magnétisme atomique

ml

ms

?

Page 11: Diamagnétisme et paramagnétisme

Table périodique magnétique

•  atomes magnétique en gras (atome isolé!!!) •  Peu d’éléments purs magnétiques à l’état condensé (3d et 4f) •  liaison chimique: électrons délocalisés (bandes)

!"#$"%#&

Atomic magnetic moment Magnetism is a property of unfilled electronic shells : Most atoms (bold) are concerned but only 22 magnetic in condensed matter

Page 12: Diamagnétisme et paramagnétisme

Table périodique magnétique

61

3d

4f

Magnétisme, Vol. I, Dir. E. de Lacheisserie, PUG (1999)

60

Condition d'existence d'un magnétisme atomique

3d: groupe du fer

4f: terres rares

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Liaison chimique, formation de bande Disparition du moment magnétique

Seul peut survivre le magnétisme d'une couche interne

Co2+: 3d7Co : 3d74s2 Gd3+: 4f7Gd : 4f75d16s2

V.1 Le magnétisme localisé : magnétisme atomique

4f: magnétisme localisé 3d: magnétisme itinérant (délocalisé)

importance de l’environnement: ions 3d magnétiques dans les oxydes

Éléments purs: magnétisme des couches internes

LaMnO3, LaCuO4…