Physical aspects of the crystalline electric field (CEF)

Aspects physiques du champ cristallin (CEF)

Département de Physique de la Matière Condensée, Université de Genève, Genève ( Switzerland )

Abstract

The present article describes some important effects that the crystalline electric field (CEF) produces in solids and particularly in metals. Emphasis is laid on a description in simple physical terms rather than on detailed mathematical analysis. We first give an outline of the way the CEF acts as a perturbation on the spectroscopic state of the free ion and we discuss briefly the limits of the model including its relation to chemical binding. We then describe the consequences of the CEF interaction including the information that may be obtained from experiment. We discuss the following topics: magnetic moment, susceptibility, magnetic anisotropy, Schottky specific heat, electron paramagnetic resonance, hypertine structure, magnetic form factor, neutron scattering from CEF levels, magnetic excitons and light scattering. In particular we emphasize the relation between CEF effects and neutron scattering because the availability of strong thermal neutron sources will certainly stimulate this field of research.

Résumé

L’article décrit quelques effets importants du champ cristallin (CEF) sur les propriétés physiques des métaux. Nous donnons une description physique au lieu des détails mathématiques. D’abord nous traitons la manière que le CEF agit comme une perturbation sur l’état fondamental de l’ion libre et ensuite les limites du modèle et sa relation avec la liaison chimique. Puis nous décrirons les conséquences physiques de l’interaction du CEF et l’information qu’on peut obtenir expérimentalement. Nous présentons en détail :1e moment magnétique, la susceptibilité, l’anisotropie magnétique, la chaleur spécifique de Schottky, la résonance paramagnétique, la structure hyperfine, le facteur de forme magnétique, la diffusion des neutrons due au CEF, les excitations magnétiques et la diffusion de la lumière. En particulier nous soulignons la relation entre les effets du CEF et la diffusion neutronique parce que ce champ de recherche va attirer un intérêt bien prononcé dans le futur.