磁性，特別是鐵磁性，往往會予人一種神祕的聯想，確實即使時至今日，仍有一些（鐵）磁性性質不甚明瞭，但吾人仍應以科學的角度去理解它，因此，對於過去所纍積於磁性的研究結果能列入教科書者，應予係統化的介紹並傳授相關的專業知識。
本書為磁性物理之教科書，以理工科大四及研究所同學為主要對象。由於市麵上相關的教材多半係以英文原著書寫，為方便閱讀，本書採中文方式陳述，其中偶有部分專有名詞則中英並陳，可供有興趣的同學或讀者自修參考。
書中分為六個章節：靜磁學、磁性起源、磁性種類、磁異方性、鐵（亞鐵）磁體之磁化與退磁、磁區與磁牆。內容儘量從物理的觀點來討論，有關材料與工程應用的部分，則收錄於：《應用磁性物理》（Applied Physics of Magnetism）。
具體描述
現代磁性材料與應用：從微觀到宏觀的係統性探索 本書聚焦於21世紀磁性科學與工程領域的前沿進展，全麵涵蓋瞭從基本物理原理到尖端技術應用的廣泛內容。本書旨在為物理、材料科學、電子工程及相關領域的學生、研究人員和工程師提供一個深入、全麵且具有前瞻性的學習和參考平颱。 --- 第一部分：磁性物理基礎與微觀調控 本部分緻力於奠定堅實的理論基礎，深入剖析導緻宏觀磁現象的微觀相互作用，並介紹當前用於精確操控這些特性的先進實驗技術。 第1章：磁性的起源與量子力學描述 本章從量子力學角度齣發，闡述電子軌道角動量和自鏇角動量如何共同構建物質的磁矩。重點討論瞭泡利不相容原理、Hund規則在確定原子磁矩中的核心作用。隨後，係統介紹瞭薛定諤方程在描述多電子體係磁性時的應用，包括自鏇軌道耦閤（SOC）對磁各嚮異性的貢獻，以及對磁性材料設計的基礎性影響。本章深入探討瞭朗之萬理論、居裏-魏斯定律的微觀推導，並引入瞭玻爾茲曼統計在高溫磁性描述中的精確應用。 第2章：晶體場理論與磁性有序的形成 本章深入探討瞭晶格環境對磁性離子能級的影響。詳細闡述瞭第一性原理的晶體場理論（CFT），區分瞭強場和弱場理論，並解釋瞭配位環境（如八麵體、四麵體）如何導緻磁性離子的d軌道或f軌道能級分裂。在此基礎上，本章過渡到磁性有序性的形成：係統分析瞭交換相互作用（Exchange Interaction）的本質，包括直接交換、超交換（Superexchange）和雙交換（Double Exchange）機製，這些機製是鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性等宏觀磁序産生的根本原因。 第3章：磁疇結構、疇壁動力學與磁化過程 磁性材料的宏觀性能極大地依賴於其內部的疇結構。本章詳細分析瞭磁化強度如何通過形成磁疇來最小化磁能。探討瞭不同類型的疇壁（如Bloch疇壁和Néel疇壁）的結構、能量和運動機製。重點研究瞭磁化反轉過程中的動力學，包括粘滯現象、釘紮效應（Pinning Effect）的物理起源。本章還引入瞭利用磁滯迴綫來錶徵材料矯頑力、剩磁和飽和磁化的現代實驗方法。 第4章：自鏇電子學（Spintronics）的物理基礎 作為現代磁性研究的核心分支，本章聚焦於利用電子自鏇而非僅僅是電荷進行信息處理和存儲的物理原理。詳細介紹瞭巨磁阻效應（GMR）和隧道磁阻效應（TMR）的微觀機製，包括它們的理論模型（如Floquet理論在GMR中的應用）。本章還討論瞭自鏇霍爾效應（SHE）和反霍爾效應（AHE）在自鏇流産生與檢測中的作用，為開發新型自鏇器件奠定瞭理論基礎。 --- 第二部分：先進磁性材料的結構與性能 本部分將視角從基本原理轉嚮瞭具體的材料體係，分類介紹瞭當前最具研究價值和應用潛力的幾類磁性材料及其獨特的物理特性。 第5章：過渡金屬與稀土磁體：高性能永磁材料 本章聚焦於高性能永磁材料的開發與優化。對釹鐵硼（NdFeB）永磁體的微觀結構（如晶界擴散、快速凝固技術）進行瞭深入剖析，解釋瞭其高矯頑力的來源——高磁晶各嚮異性。同時，詳細探討瞭釤鈷（SmCo）和鐵氧體材料在高溫和高頻應用中的優勢與局限。本章還討論瞭新型稀土元素替代策略，旨在解決關鍵資源短缺問題。 第6章：鐵磁性與反鐵磁性薄膜與異質結 薄膜結構是實現集成化磁性器件的關鍵。本章探討瞭磁性材料在原子尺度上的生長技術（如分子束外延MBE和磁控濺射PLD），以及由此帶來的界麵效應。重點分析瞭由界麵結構不匹配或應變誘導的界麵磁各嚮異性（IMEA）。對反鐵磁薄膜（如NiO, FeMn）在自鏇電子學中的應用潛力進行瞭評估，特彆是其作為“無損”自鏇源的獨特優勢。 第7章：磁性納米結構與尺寸效應 當磁性材料的尺寸減小到納米尺度時，其磁性行為會發生顯著變化。本章詳細研究瞭磁性納米顆粒、納米綫和納米環的製備方法及其獨特的磁學特性，如超順磁性（Superparamagnetism）和尺寸依賴的矯頑力變化。討論瞭磁振子（Magnons）在這些結構中的傳播特性，並介紹瞭利用納米結構實現高效磁存儲的潛力。 第8章：多鐵性材料與磁電耦閤 本章介紹瞭同時具備鐵電性和鐵磁性（或反鐵磁性）的“多鐵性”材料。闡述瞭磁緻伸縮和電緻伸縮耦閤機製，重點分析瞭磁結構與電極化之間的強耦閤效應（磁電耦閤）。本章探討瞭如何通過應變工程來高效地、無損地控製材料的磁化狀態，這對於開發低功耗傳感器和非易失性存儲器至關重要。 --- 第三部分：磁性在信息技術中的前沿應用 本部分將理論和材料知識應用於現代信息處理、存儲和傳感技術，聚焦於最具商業化前景和科研活力的應用領域。 第9章：磁隨機存取存儲器（MRAM）技術 MRAM是下一代非易失性存儲器的主要候選者。本章詳細介紹瞭基於磁隧道結（MTJ）的STT-MRAM（自鏇轉移矩）的工作原理，包括寫入機製和能耗分析。深入討論瞭當前麵臨的挑戰，如閾值電流密度、讀寫可靠性以及長期耐久性。此外，本章還展望瞭SOT-MRAM（自鏇軌道轉矩）和電壓控製磁化切換（VCMA）技術在提高能效方麵的最新進展。 第10章：自鏇電子學與計算架構 本章探討瞭如何利用磁性元件構建更快速、更節能的計算平颱。詳細分析瞭基於磁性邏輯器件的全新計算範式，如基於磁振子和非綫性動力學的“磁振子學”（Magnonics）。討論瞭如何利用磁性元件實現內存計算（In-Memory Computing），以及如何設計和優化自鏇濾波器和自鏇波器件，以實現高速信號傳輸和處理。 第11章：高靈敏度磁傳感技術 高靈敏度磁場探測是生物醫學成像、無損檢測和導航係統的核心技術。本章係統介紹瞭基於GMR/TMR的磁傳感器件，並特彆聚焦於超高靈敏度的傳感器，如隧道磁阻（TMR）陣列和原子磁力顯微鏡（MFM）的最新發展。討論瞭利用高頻磁場和非綫性磁效應（如自鏇波共振）來提高信噪比和空間分辨率的技術。 第12章：磁性在能源轉換與環境科學中的交叉應用 本章拓展瞭磁性材料在非傳統信息技術領域的應用。探討瞭磁性材料在高效能源捕獲（如熱電磁效應）中的潛力。在環境科學方麵，重點分析瞭磁性納米顆粒在汙染物吸附、催化降解和磁流體分離技術中的應用案例，強調瞭材料形貌和錶麵化學修飾對這些功能的重要性。 --- 本書的特點在於其嚴謹的物理基礎敘述與對最新實驗進展的緊密結閤。通過對量子力學、固體物理和統計力學的係統應用，讀者將能夠深刻理解磁性現象的內在機理，並能夠自主分析和設計未來的磁性器件與係統。
著者信息
作者簡介
任盛源
目前為中央研究院物理所研究員（Institute of Physics, Academia Sinica, Research Fellow）同時亦任教於臺灣科技大學機械係材料組。
1976年畢業於臺灣大學物理係並取得學士學位，1983年畢業於（美）卡內基美侖大學物理係（Carnegie-Mellon University, Physics Dept.）並取得博士學位，自1984年即服務於中研院物理所至今，其間亦曾分別於輔仁大學物理所及海洋大學光電所任職兼任教授，並持續在臺大材料、清大材料及交大電物等校係指導博士或碩士論文，至今受指導學生總數超過百餘人，研究課題俱與磁性物理相關；特別有關鐵磁性材料之電子傳輸、本徵磁性、單晶或非晶金屬磁材、磁彈性質、磁區與磁牆、鐵磁共振等。發錶於SCI的文章篇數計135篇，（美）專利1項。
任盛源
目前為中央研究院物理所研究員（Institute of Physics, Academia Sinica, Research Fellow）同時亦任教於臺灣科技大學機械係材料組。
1976年畢業於臺灣大學物理係並取得學士學位，1983年畢業於（美）卡內基美侖大學物理係（Carnegie-Mellon University, Physics Dept.）並取得博士學位，自1984年即服務於中研院物理所至今，其間亦曾分別於輔仁大學物理所及海洋大學光電所任職兼任教授，並持續在臺大材料、清大材料及交大電物等校係指導博士或碩士論文，至今受指導學生總數超過百餘人，研究課題俱與磁性物理相關；特別有關鐵磁性材料之電子傳輸、本徵磁性、單晶或非晶金屬磁材、磁彈性質、磁區與磁牆、鐵磁共振等。發錶於SCI的文章篇數計135篇，（美）專利1項。
圖書目錄
第一章 靜磁
1-1 簡介
1-2 偶極場
1-3 單位
第二章 磁性起源
2-1 軌道及自鏇磁矩
2-2 史頓—葛拉賀實驗
2-3 自鏇—軌道作用力
2-4 軌道角動量之壓製
2-5 軌道角動量之恢復
2-6 宏德法則
2-7 g 與 g' 值（實驗）
2-8 海森堡交換作用
2-9 小結論
2-10 附註
第三章 磁性種類
3-1 簡介
3-2 反磁性
3-3 順磁性
3-4 鐵磁性
3-5 螺鏇磁性
3-6 亞鐵磁性
3-7 反鐵磁性
3-8 超順磁性
3-9 附註
第四章 磁異方性
4-1 磁異方性之起源
4-2 磁異方性
4-3 力矩磁力計
4-4 溫度與磁異方性之關係
4-5 磁異方性與晶粒大小之關係
4-6 附註
第五章 鐵（或亞鐵）磁體之磁化與退磁
5-1 去磁效應
5-2 磁力線
5-3 磁路
5-4 磁滯麯線
5-5 附註
第六章 磁區與磁牆
6-1 磁牆與磁區
6-2 磁區觀察實驗
6-3 附註
習 題
參考文獻
習題答案
索 引
1-1 簡介
1-2 偶極場
1-3 單位
第二章 磁性起源
2-1 軌道及自鏇磁矩
2-2 史頓—葛拉賀實驗
2-3 自鏇—軌道作用力
2-4 軌道角動量之壓製
2-5 軌道角動量之恢復
2-6 宏德法則
2-7 g 與 g' 值（實驗）
2-8 海森堡交換作用
2-9 小結論
2-10 附註
第三章 磁性種類
3-1 簡介
3-2 反磁性
3-3 順磁性
3-4 鐵磁性
3-5 螺鏇磁性
3-6 亞鐵磁性
3-7 反鐵磁性
3-8 超順磁性
3-9 附註
第四章 磁異方性
4-1 磁異方性之起源
4-2 磁異方性
4-3 力矩磁力計
4-4 溫度與磁異方性之關係
4-5 磁異方性與晶粒大小之關係
4-6 附註
第五章 鐵（或亞鐵）磁體之磁化與退磁
5-1 去磁效應
5-2 磁力線
5-3 磁路
5-4 磁滯麯線
5-5 附註
第六章 磁區與磁牆
6-1 磁牆與磁區
6-2 磁區觀察實驗
6-3 附註
習 題
參考文獻
習題答案
索 引
圖書試讀
序
「磁性（Magnetism）」現象涵蓋瞭一個極為廣泛的課題，它可以與下列研究領域重疊：例如固態物理、電機工程、機械工程、材料與冶金工程、物理化學等。在工業界被應用的情形更是不勝枚舉，其重要性已不言可喻。作者自從在美國Carnegie-Mellon University物理研究所開始即從事「非晶磁性材料中磁牆運動」之研究，之後，迴到中央研究院物理所仍一直持續地在磁性領域從事研究工作，至今已三十六年，在這段時間作者亦分別受聘於臺灣科技大學機械所、海洋大學光電所，及輔仁大學物理所，除指導學生論文外，並於上下學期在各研究所開課，名稱為「磁性物理與材料」。在準備教材時，深深感到市麵上缺少一本適於大四或研一同學研讀有關「磁性」的教科書（且一般此類的教科書多為英文原版）。因此，作者特別就這些年研究與教學的經驗以中文寫成有關磁性物理的教科書，供大傢分享。
這本書被命名《基礎磁性物理》，基本上，當然是與磁性（特別是鐵磁性）相關。在本書中作者要強調的是有關各項提及的（鐵）磁性其基礎物理方麵的探討，較少（或僅偶然地）討論到材料特性與工程實用麵。當然，這裡所指的基礎物理包括必須知悉的磁性理論與實驗。因此，這本書應該會給想入門磁學領域者一個良好的開始，讀者在閱讀本書之前僅需具備下列學科的背景知識：電磁學、固態物理、近代物理、固體力學，及熱力學。所以，原則上研讀本書對已修讀完大三課程的大四及研究所同學，應無太大的問題。
本書分為六個章節，第一章：靜磁學，介紹有關磁學中常用到的物理量、單位及其定義。第二章：磁性起源，介紹與磁起源相關之兩基本量—電子之軌道及自鏇磁矩及彼此之作用，並進一步討論相鄰兩原子間的交換作用，作為形成鐵磁或反鐵磁現象之基本機製。第三章：磁性種類，介紹包括反磁、順磁、鐵磁、亞鐵磁、螺鏇磁、反鐵磁及超順磁幾類常見對磁性的劃分（或種類）。並強調所謂侷限與巡遊電子兩觀點的對比。第四章：磁異方性，探討各磁異方性的起源、種類及實驗測定方式。第五章：鐵（或亞鐵）磁體之磁化與退磁，討論鐵磁體之基本（技術性）磁現象，包括去磁效應、磁路及磁滯麯線。第六章，磁區與磁牆，針對該兩磁性特徵的理論與實驗作討論。最末並附習題與解答，以供自修。
最後，本書的六個章節明顯尚未能包括磁性物理的全部以及其最新的發展，在此僅將之視為跨入磁性領域之入門教材，希望能予讀者有所幫助。
「磁性（Magnetism）」現象涵蓋瞭一個極為廣泛的課題，它可以與下列研究領域重疊：例如固態物理、電機工程、機械工程、材料與冶金工程、物理化學等。在工業界被應用的情形更是不勝枚舉，其重要性已不言可喻。作者自從在美國Carnegie-Mellon University物理研究所開始即從事「非晶磁性材料中磁牆運動」之研究，之後，迴到中央研究院物理所仍一直持續地在磁性領域從事研究工作，至今已三十六年，在這段時間作者亦分別受聘於臺灣科技大學機械所、海洋大學光電所，及輔仁大學物理所，除指導學生論文外，並於上下學期在各研究所開課，名稱為「磁性物理與材料」。在準備教材時，深深感到市麵上缺少一本適於大四或研一同學研讀有關「磁性」的教科書（且一般此類的教科書多為英文原版）。因此，作者特別就這些年研究與教學的經驗以中文寫成有關磁性物理的教科書，供大傢分享。
這本書被命名《基礎磁性物理》，基本上，當然是與磁性（特別是鐵磁性）相關。在本書中作者要強調的是有關各項提及的（鐵）磁性其基礎物理方麵的探討，較少（或僅偶然地）討論到材料特性與工程實用麵。當然，這裡所指的基礎物理包括必須知悉的磁性理論與實驗。因此，這本書應該會給想入門磁學領域者一個良好的開始，讀者在閱讀本書之前僅需具備下列學科的背景知識：電磁學、固態物理、近代物理、固體力學，及熱力學。所以，原則上研讀本書對已修讀完大三課程的大四及研究所同學，應無太大的問題。
本書分為六個章節，第一章：靜磁學，介紹有關磁學中常用到的物理量、單位及其定義。第二章：磁性起源，介紹與磁起源相關之兩基本量—電子之軌道及自鏇磁矩及彼此之作用，並進一步討論相鄰兩原子間的交換作用，作為形成鐵磁或反鐵磁現象之基本機製。第三章：磁性種類，介紹包括反磁、順磁、鐵磁、亞鐵磁、螺鏇磁、反鐵磁及超順磁幾類常見對磁性的劃分（或種類）。並強調所謂侷限與巡遊電子兩觀點的對比。第四章：磁異方性，探討各磁異方性的起源、種類及實驗測定方式。第五章：鐵（或亞鐵）磁體之磁化與退磁，討論鐵磁體之基本（技術性）磁現象，包括去磁效應、磁路及磁滯麯線。第六章，磁區與磁牆，針對該兩磁性特徵的理論與實驗作討論。最末並附習題與解答，以供自修。
最後，本書的六個章節明顯尚未能包括磁性物理的全部以及其最新的發展，在此僅將之視為跨入磁性領域之入門教材，希望能予讀者有所幫助。
用戶評價
评分
與其他一些偏重於電子結構計算或實驗錶徵的書籍相比，這本書在對“磁性起源”的哲學性探討上顯得尤為突齣。作者似乎並不滿足於僅僅描述“是什麼”和“如何測”，他花費瞭大量的篇幅來探討“為什麼會這樣”。例如，關於海森堡交換相互作用的起源，他詳細迴顧瞭泡利不相容原理和電子雲重疊的微觀機製，並討論瞭不同晶格結構如何通過軌道雜化影響耦閤強度。這種對基本物理原理的迴歸和堅持，讓讀者能夠真正理解磁性現象背後的本質驅動力，而不是僅僅記住一係列經驗性的參數。當我閱讀到關於磁各嚮異性能量的最小化路徑分析時，我仿佛能感受到材料內部的電子在努力尋找能量最低點的“掙紮”，這種擬人化的描述，反而加深瞭我對晶體場理論的理解。這種對深層物理內涵的挖掘，是這本書最寶貴的財富之一。
评分這本書的習題設計簡直是精妙絕倫，它們絕非簡單的公式代入練習，而是真正能夠檢驗和鞏固理解的“小項目”。很多習題都需要讀者綜閤運用多個章節的知識點，甚至是需要結閤一些基礎的電動力學或量子力學的背景知識纔能完成。我花瞭整整一個周末來攻剋關於“磁弛豫時間與布洛赫方程修正”的那一組題目，它要求我推導齣在非均勻溫度梯度下的磁化強度演化方程，這不僅僅是代數運算，更是一種物理建模能力的鍛煉。更有趣的是，有些習題的答案部分提供瞭解釋性的提示，而不是直接給齣一個數字，這極大地鼓勵瞭獨立思考。這種注重培養分析和解決實際問題的能力的訓練模式，是我在其他教材中很少遇到的。坦白說，雖然我為這些習題花費瞭不少時間，但最終的成就感和所獲得的技能提升，遠超齣瞭我投入的時間成本。
评分這本書的行文邏輯嚴密得令人驚嘆，仿佛作者在腦海中已經為讀者規劃好瞭每一步的認知路徑。從最基礎的朗之萬方程的引入，到如何將它修正以適應復雜介質中的阻尼效應，每一步的推導都遵循著一種近乎完美的遞進關係。我特彆欣賞作者在處理熱力學漲落和平均場理論之間的過渡時所展現齣的細膩。他沒有簡單地堆砌公式，而是花瞭相當的篇幅來解釋為什麼在特定尺度下，近似是閤理的，而在另一些情況下，必須引入更復雜的統計模型。這使得讀者在學習過程中不會感到知識點是孤立存在的，而是像搭積木一樣，一層層地構建起對磁性係統穩定性和動態行為的深刻理解。這種教學法的深度，遠超那些隻關注羅列公式和計算結果的教材。讀完關於亞鐵磁性與反鐵磁性相互作用的章節後，我對如何利用材料結構來“調控”磁耦閤強度有瞭全新的認識，這絕非簡單背誦幾條規則就能達到的效果。
评分我必須指齣，這本書在引入前沿概念時的平衡把握得非常到位。它沒有陷入過度專業化的泥潭，使得初次接觸磁性物理的本科高年級學生可能會感到望而生畏；相反，它像一位經驗豐富的導師，知道何時該放慢腳步，何時該加速。例如，在討論自鏇霍爾效應時，作者首先用非常直觀的類比解釋瞭角動量守恒在電荷輸運中的體現，然後再引入瞭復雜的自鏇紋理和非共麵耦閤項。更妙的是，它沒有停留在經典描述上，而是巧妙地引入瞭貝裏相位（Berry Phase）的概念，並將其與磁晶各嚮異性聯係起來，這為後續學習拓撲磁學打下瞭堅實的基礎。這種“由淺入深、兼顧經典與現代”的處理方式，使得這本書不僅是學習基礎知識的工具，更像是一張通往更深層次研究領域的導航圖，能有效激發讀者探索更復雜理論模型的興趣。
评分這本書的插圖真是太棒瞭！我最近在研究一些關於磁疇壁動力學的課題，手頭的參考資料大多是一些老舊的教科書，裏麵的示意圖都顯得有些過時和模糊。但這本書不同，它的圖示非常清晰、現代，很多復雜的物理現象，比如磁斯通厄姆波的傳播路徑，用動態的、高分辨率的圖錶展現齣來，讓人一目瞭然。尤其是一些涉及量子隧穿和自鏇轉移矩（STT）的章節，作者巧妙地運用瞭三維模型來解釋電子流如何影響磁化強度的翻轉，這對我理解最新的MRAM技術非常有幫助。我花瞭大量時間對著那些結構圖和能量勢壘圖進行分析，感覺自己的直覺都被這些高質量的可視化工具增強瞭。如果說有什麼遺憾，那就是有些高級的數值模擬結果沒有直接給齣代碼片段，但考慮到這是一本基礎教材的修訂版，這種側重於概念闡述而非工程實現的取嚮也是可以理解的。總的來說，對於需要深入理解磁性材料微觀結構與宏觀性質之間聯係的研究生來說，這本書的視覺呈現質量絕對是頂級的加分項。
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