Thermal neutron scattering by magnetic interaction

La diffusion des neutrons thermiques par interaction magnétique

Mineralogisches Institut der Universitat Bonn, Poppelsdorf er Schloss — 53 - Bonn (R. F. A. )

Abstract

Scattering of thermal neutrons on crystals is a powerful technique to study microscopic properties of condensed matter. The present article is confined to magnetic interaction through the magnetic dipole of the neutron with the magnetic dipoles of the atoms due to unpaired electrons. The general theory of scattering by magnetic interaction is presented.

Further consideration is given to the properties of a three dimensionally ordered lattice leading to diffraction maxima described by Bragg’s law. The interpretation of diffraction diagrams is discussed with special attention given to helical spin configurations.

Covalency of the chemical bond can be investigated by neutron diffraction and its consequences on the diffraction properties are discussed.

The neutron magnetic moment comes about because of the neutron having spin [math], which can be in the two states +[math] or —[math]. This leads to the possibility of generating polarized beams with all neutrons in one spin state. The polarized beam technique is treated as a special and powerful tool for studying microscopic magnetic properties of condensed matter and especially of spin densities in crystals.

The polarization analysis of the diffracted beam in a polarized beam experiment is a logic consequence and adds a new dimension to the investigation, which enables one to study further details and to separate magnetic and nuclear interactions, order and disorder properties of the crystal.

Résumé

Dans cet article, nous discutons les informations relatives aux propriétés magnétiques des solides qui peuvent être obtenues par diffraction des neutrons. Nous nous limiterons cependant aux interactions du moment magnétique du neutron avec les moments magnétiques dans le cristal, moments qui résultent dans la majorité des cas, des électrons non appariés. Nous nous limiterons de plus aux processus élastiques, sans transfert d’énergie entre le neutron et le diffuseur.

La théorie de la diffraction magnétique des neutrons a été établie, pour la première fois, d’une manière approfondie par Halpern et Johnson (1) pour les ions des métaux de transition. Dans cette première théorie, on postulait un « quenching » total du moment orbital par le champ cristallin et que son moment magnétique associé ne contribue pas à la diffraction. Pour une substance dont le quenching du moment orbital est total, on peut prévoir un facteur g de 2,00. L’écart de la valeur expérimentale du facteur g avec cette valeur donne une mesure de la contribution orbitale au moment magnétique de l’ion, et, en fait, il existe fortement des substances dont le quenching est total, nécessitant ainsi une extension de la théorie.

Néanmoins, ces approximations suffisent dans la plupart des cas où Ton considère des ions 3d et où la configuration plus encore que la densité de distribution des moments ou spins, est recherchée.

La diffraction par les moments orbitaux joue un rôle important lorsque Ton considère des terres rares. Cet effet a été examiné, pour la première fois par Trammel (2) et étudié par Odiot et Saint-James (3), par Blume (4) et plus récemment par Lovesey et Rimmer (12). Ces études sont relatives aux ions des terres rares dans lesquels le quenching du moment orbital n’est pas total, et les effets du champ cristallin secondaires E_LS ⪢ E_cristallin.

Dans le cas des métaux de transition où la première théorie de Halpern et Johnson semble insuffisante dans le champ cristallin « quenche » cependant un peu le moment orbital et la situation se trouve inversée : E_LS ⪡ E_cristallin. Ce cas a été étudié par exemple par Blume (5) pour le facteur magnétique de forme Ni²⁺. Le cas de l’ion nickel est simple car la dégénérescence orbitale est complètement levée par le champ cristallin cubique alors que dans les ions Fe^{2 +} et Co²⁺ la dégénérescence n’est pas complètement levée (6) et la discussion de la diffraction neutronique est plus compliquée.

Les effets de la diffraction cristalline sont discutés en fonction de la nature ionique ou covalente de la liaison.

Enfin la technique de faisceaux polarisés est envisagée et les informations données par cette méthode sont discutées.