磁性測量概論.ppt課件

1、磁 性 測 量 概 論（共 50 頁） 磁 性 磁 性 測 量1感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 概 論 希望 澄清一些磁學(xué)計(jì)量概念 幫助 了解數(shù)據(jù)的來源 全面 掌握數(shù)據(jù)的測量方法 促進(jìn) 研究磁性的測量理論與測量技術(shù)目的12感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 概 論能夠測量什么量 ？現(xiàn) 有 能 力潛 在 能 力怎么測量這些量 ？標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程原理、方法如何保證正確性 ？量 值 溯 源量 具 檢 定計(jì) 量Metrology計(jì) 量Metrology23感謝你的觀看2019年9月13磁 性 磁性的起源：原子 磁矩未 成 對(duì) 電 子電 子電荷：e 自旋： 磁矩： 自旋磁矩軌道磁矩原

2、子 核電荷：e自旋： 1磁矩： N原 子 磁 矩電子磁矩原子核磁矩Pauli不相容原理Hund 法則固有34感謝你的觀看2019年9月13磁 性 磁性的起源：原子 磁矩電 子電荷：e 自旋： 磁矩： 自旋磁矩軌道磁矩原 子 核電荷：e自旋： 1磁矩： N原 子 磁 矩電子磁矩原子核磁矩未 成 對(duì) 電 子Pauli不相容原理Hund 法則固有35感謝你的觀看2019年9月13磁 性 磁有序的起源：交換相互作用無交換相互作用交換相互作用間接直接 超量子力學(xué)效應(yīng)全同粒子46感謝你的觀看2019年9月13磁 性 物質(zhì)的磁性（內(nèi)稟）電 子 磁 性原子核磁性晶態(tài)系統(tǒng)非晶態(tài)系統(tǒng)磁微粒系統(tǒng)磁稀釋系統(tǒng)共線非共線

3、磁無序抗磁性順磁性抗磁性順磁性順磁性順磁性核抗磁性核順磁性（核磁性）磁有序鐵磁性非共線鐵磁性散鐵磁性超鐵磁性自旋玻璃（玻磁性）核鐵磁性反鐵磁性非共線反鐵磁性散反鐵磁性超反鐵磁性混磁性核反鐵磁性亞鐵磁性非共線亞鐵磁性散亞鐵磁性？核亞鐵磁性超 順 磁 性57感謝你的觀看2019年9月13磁 性 物體的磁性（表觀內(nèi)稟）制備工藝相關(guān)物理原理決定尺寸效應(yīng)（退磁因子）（天體基本粒子）結(jié) 晶 狀 態(tài) 顯 微 結(jié) 構(gòu)雜 質(zhì) 狀 態(tài)Fe 或者 鐵Co 或者 鈷68感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量的現(xiàn)狀7一、直接測量原子的磁矩二、間接測量原子的磁矩真正測量單原子：磁圓（線）振二向色性 中子散

4、射 ？ Mssbauer譜 ？間接測量單原子：假設(shè)、計(jì)算統(tǒng)計(jì)平均：總體平均原子核磁矩？再談9感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量原則各種譜物質(zhì)力、聲熱電磁光粒子人8盤點(diǎn)我們的本事10感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量原理宏觀物理效應(yīng)微觀物理效應(yīng)磁 共 振 效 應(yīng)電磁感應(yīng)原理磁矩測量磁場測量磁通測量間接測量直接測量911感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 電磁感應(yīng)原理面積A磁通量0 DtBE0 Bt DjH0SBdS1012感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 物理效應(yīng)之一：磁電自旋相關(guān)電子散射磁 場載 流 子巨磁致電阻效應(yīng)（GMR）超大磁

5、致電阻效應(yīng)（CMR）各項(xiàng)異性磁致電阻效應(yīng)（AMR）磁致隧道效應(yīng)(TMR)一般磁致電阻效應(yīng)（OMR）回旋共振（載流子、離子）Shubnikovde Haas效應(yīng)Hall效應(yīng)量子Hall效應(yīng)經(jīng)典Hall效應(yīng)分?jǐn)?shù)Hall效應(yīng)整數(shù)Hall效應(yīng)11磁場中的電輸運(yùn)13感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 物理效應(yīng)之二：磁光磁線振二向色性磁圓振二向色性Faraday效應(yīng)磁雙折射效應(yīng)CottonMouton效應(yīng)Zeeman效應(yīng)磁致激發(fā)光散射（磁振子光子散射）回旋共振（載流子、離子）光透射模式發(fā) 光 光 譜光 子 散 射光反射模式Kerr效應(yīng)縱向Kerr效應(yīng)極向Kerr效應(yīng)橫向Kerr效應(yīng)1214感謝你

6、的觀看2019年9月13磁 性 測 量 物理效應(yīng)之三：磁力（聲）磁振子聲子相互作用磁聲效應(yīng)磁力效應(yīng)磁致伸縮旋磁效應(yīng)扭矩效應(yīng)交變梯度磁強(qiáng)計(jì)磁秤（常用的有7種）轉(zhuǎn)矩壓磁效應(yīng)線性效應(yīng)體效應(yīng)圓周效應(yīng)Guillemin效應(yīng)橫向Joule效應(yīng)Brackett效應(yīng)Joule效應(yīng)扭矩減小效應(yīng)勁度系數(shù)效應(yīng)Wiedemann效應(yīng)Einsteinde Hass效應(yīng)Barrett效應(yīng)1315感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 物理效應(yīng)之四：磁熱磁致溫差效應(yīng)磁 熱 效 應(yīng)磁 卡 效 應(yīng)1416感謝你的觀看2019年9月13磁場敏感器件磁 性 測 量 物理效應(yīng)之五：磁磁中子散射（衍射）磁振子相互作用磁結(jié)構(gòu)確定磁

7、 疇 觀 測Lorentz力雜散磁場效應(yīng)磁力（MF）顯微法Bitter（粉紋）法1517感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁相關(guān)共振亞鐵磁共振（FiMR）反鐵磁共振（AFMR）鐵磁共振（FMR）電子順磁共振（EPR）電子自旋共振（ESR）核磁共振（NMR）Mssbauer效應(yīng)自 旋 共 振Zeeman能級(jí)回 旋 共 振Landau能級(jí)回旋共振（載流子、離子）16SR18感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量: 技 術(shù)信號(hào)發(fā)生信號(hào)變換信號(hào)采集信號(hào)傳輸信號(hào)存儲(chǔ)信號(hào)處理電 信 號(hào)光 信 號(hào)模擬技術(shù)數(shù)字技術(shù)1719感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量: 傳

8、統(tǒng) 儀 器被 測 量測 量 量 具均 勻非 均 勻磁通穩(wěn)恒磁場磁場傳感器（Hall片、單線圈）Hall片、雙線圈交變磁場Hall片、多線圈雜散磁場 磁 場 傳 感 器、磁 通 量 具、磁通門磁 矩各 類 磁 強(qiáng) 計(jì)1820感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量: 傳統(tǒng) 儀 器信號(hào)發(fā)生信號(hào)變換電磁感應(yīng)空間變化振動(dòng)樣品、提拉樣品、沖擊法、SQUID磁強(qiáng)計(jì)時(shí)間變化動(dòng)態(tài)磁性測量儀、永磁材料測試儀物理效應(yīng)光SMOKE、磁圓（線）振二向色性電交、直流電輸運(yùn)力磁轉(zhuǎn)矩、磁秤、交變梯度磁強(qiáng)計(jì)磁 共 振穩(wěn)恒磁場微波磁場ESR、FMR、AFMR、NMR、Mssbauer譜回旋共振1921感謝你的觀看

9、2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量: 傳統(tǒng) 儀 器信號(hào)采集信 號(hào) 采 集 方 法儀 器 設(shè) 備信 號(hào) 放 大 方 法探測線圈振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)鎖相放大器提拉樣品磁強(qiáng)計(jì)積分放大器SQUID磁強(qiáng)計(jì)SQUID放大器沖擊法光電檢流計(jì)懸絲扭矩、杠桿失衡轉(zhuǎn)矩儀、磁秤光敏電阻、壓電晶體梯度線圈、壓電晶體電壓交變梯度磁強(qiáng)計(jì)壓電晶體、前置放大器極化光偏振方向、檢偏器SMOKE光電變換器、前置放大器電阻應(yīng)變片應(yīng)變、激光行程磁致伸縮儀電阻應(yīng)變器、前置放大器（微波）能量吸收各類共振儀器各種RF放大器2022感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量: 傳統(tǒng) 儀 器信號(hào)傳輸信號(hào)存儲(chǔ)信號(hào)處理與 天 斗其樂

10、無窮與 地 斗其樂無窮2123感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量：虛擬 儀 器（VI）傳統(tǒng)儀器傳統(tǒng)儀器廠商廠商定義功能定義功能虛擬儀器虛擬儀器用戶用戶定義功能定義功能PROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMPROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMControl PanelFlowPressure Alarm

11、 ConditionsSTOPTemperature2224感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量：虛擬 儀 器Virtual Instrumentation- Computer Based Instruments2325感謝你的觀看2019年9月13磁 性 測 量 磁性測量：虛擬 儀 器24待發(fā)展26感謝你的觀看2019年9月13虛 擬 儀 器 系 統(tǒng) (引用)GPIBSerialDAQProcessorUnit Under TestVXIImage AcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware & Dr

12、iver Software Measurement Studio LabVIEW2527感謝你的觀看2019年9月13再談磁性測量的現(xiàn)狀磁性：磁體能吸引鐵、鎳等金屬的性能Magnetism：phenomena associated to magnetic field28感謝你的觀看2019年9月13什么是 “磁性”（ZHAO）不僅僅是：Magnetic Property of 再談1至少包括：微觀1.粒子磁矩：質(zhì)子、中子、電子、介子；原子、離子；分子、原子團(tuán)、 顆粒2.粒子的磁相互作用：交換作用、偶極作用、超精細(xì)相互作用；自旋 軌道耦合；分子場、自旋極化率 宏觀3.材料本身：磁化強(qiáng)度、矯頑力、

13、磁能積；磁化率、磁導(dǎo)率；居里溫度、 磁各向異性4.材料與外界條件的相互作用：磁力、磁光、磁熱、磁電、共振29感謝你的觀看2019年9月13自旋與軌道磁矩的測量v 自由粒子的磁矩：基本解決再談2中子、質(zhì)子（氫離子）、電子、原子、離子、原子團(tuán)4、磁場偏轉(zhuǎn)（SternGerlach實(shí)驗(yàn)）：中子、質(zhì)子、介子1、電子自旋假設(shè)：G. E. Uhlenbeck和S. Goudsmit（1925）；2、電子自旋理論：P. A. M. Dirac（1928）3、電子自旋測量：SternGerlach實(shí)驗(yàn)（1922）candidate for the most beautiful experiment (Robe

14、rt P Crease )5、原子核磁矩：核磁共振（NMR）、自旋回波（spin echo） Mssbauer效應(yīng)、介子自旋共振（ SR） 中子衍射（抑制電子的磁性散射） Candidates for the most beautiful experiments in physics （Robert P Crease, 紐約石溪分校）1.SternGerlach實(shí)驗(yàn)（1922年）：電子自旋2.MichelsonMorley實(shí)驗(yàn)（1887年）：光傳播3.Cavendish實(shí)驗(yàn)（1776年）：空球殼的電荷分布、電荷作用4.WeberKohlrausch實(shí)驗(yàn)（1856年）：靜止電荷與運(yùn)動(dòng)電荷關(guān)系5.

15、吳健雄實(shí)驗(yàn)（1956年）：弱相互作用的宇稱不守恒 藍(lán)色：另有專題30感謝你的觀看2019年9月13自旋與軌道磁矩的測量v 自由粒子的磁矩：基本解決再談3中子、質(zhì)子（氫離子）、電子、原子、離子、原子團(tuán)一般是磁性材料：基本解決？1、元素分辨的自旋與軌道磁矩：磁二色譜（XMD）2、非元素分辨原子磁矩：中子散射、Mssbauer譜？3、總體磁矩：1&2，宏觀磁性測量。6、自由粒子的形成：（實(shí)現(xiàn)無相互作用的自由狀態(tài)）7、宏觀磁性測量技術(shù)：可用統(tǒng)計(jì)平均v 凝聚體的電子自旋與軌道磁矩：31感謝你的觀看2019年9月13自旋與軌道磁矩的測量v 凝聚體的原子核磁矩：基本解決再談4原子核磁矩的測量途徑：與

16、自由粒子的原子核磁矩相同1、原子核磁矩本身的特性：中子散射：核磁矩與中子磁矩的相互作用（高角）核磁共振：核磁矩基態(tài)亞能級(jí)（Zeeman能級(jí)）之間躍遷2、原子核磁矩與電子的相互作用：由于磁超精細(xì)相互作用的存在：Mssbauer效應(yīng)：核磁矩基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能級(jí)躍遷；電子自旋共振（ESR）、光譜超精細(xì)結(jié)構(gòu)、 SR32感謝你的觀看2019年9月13磁結(jié)構(gòu)與相互作用v 磁結(jié)構(gòu)有效方法不多點(diǎn)陣分辨1、磁結(jié)構(gòu)的定義：再談5針對(duì)材料而言；原子磁矩的空間（幾何）位置、相對(duì)取向。2、比較有效的（直接）方法：目前只有中子衍射是測定材料磁結(jié)構(gòu)的有效方法。磁二色譜：元素分辨，提高空間位置分辨率相變方法：磁共振、各種宏

17、觀磁性測量技術(shù)3、其它可以使用的方法：NMR、Mssbauer譜謹(jǐn)慎33感謝你的觀看2019年9月13原命題：如果A成立 B成立；（A是B的充分條件）逆命題：如果B A成立；（A是B的必要條件）否命題：如果A不成立 B不成立；（A是B的必要條件）逆否命題：如果B不成立 A不成立；（A是B的充分條件）原命題與逆否命題一定為真；逆命題和否命題不一定為真；所有命題都為真，則A是B的充分必要條件（充要條件）應(yīng)該注意的問題 邏輯如果A成立 B成立A是B的充分條件；B是A的必要條件設(shè)“A”“具有鐵磁性”； “B”“存在磁滯迴線”如果“具有鐵磁性”必然“存在磁滯迴線”如果“存在磁滯迴線”不一定“具有鐵磁性”

18、MTHM反鐵磁性？超順磁性？自旋玻璃？鐵磁性？亞鐵磁性？超順磁性？充分條件非必要條件34感謝你的觀看2019年9月13一個(gè)人的能力不在于 學(xué)會(huì)了 多少知識(shí)而在于 學(xué)會(huì)了 使用 多少知識(shí)35感謝你的觀看2019年9月13磁結(jié)構(gòu)與相互作用v 磁結(jié)構(gòu)有效方法不多點(diǎn)陣分辨相變方法：溫度依賴關(guān)系 理論再談61、磁共振方法：可以分辨磁性與非磁性；包括（Mssbauer譜測量鐵磁順磁轉(zhuǎn)變：譜線劈裂、ESR、FMR、NMR等）2、宏觀磁性測量技術(shù)： 測量材料的磁化率溫度曲線。根據(jù)曲線的特征判斷磁結(jié)構(gòu)。屬于總體平均結(jié)果，不是原子點(diǎn)陣分辨的，只能（定性）說明材料整體處于何種磁結(jié)構(gòu)36感謝你的觀看2019年9月13

19、磁結(jié)構(gòu)與相互作用v 交換相互作用磁結(jié)構(gòu)再談7超精細(xì)相互作用：磁共振技術(shù)、光譜宏觀磁偶極作用：（大塊材料）力學(xué)測量自旋軌道耦合：ESR、磁二色譜v 磁偶極作用？微觀磁偶極作用：理論？M方法？ 磁共振（也許）v 磁超精細(xì)作用解決v 自旋軌道耦合？37感謝你的觀看2019年9月13各種磁場的測量v 物體外的磁場空間1、地球范圍內(nèi)的磁場基本解決再談8各種磁場傳感器：Hall效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)、各種磁場電流效應(yīng)（MR）、磁通門磁強(qiáng)計(jì)、SQUID、磁光效應(yīng)、NMR2、地球外宇宙的磁場無直接測量理論預(yù)言：天體物理（中子星、磁星，等等）生物體磁場：生物體磁場：SQUID、磁通門磁強(qiáng)計(jì)磁通門磁強(qiáng)計(jì)38感謝你的觀看201

20、9年9月13各種磁場的測量v 物體內(nèi)的磁場辦法不多1、分子場（交換場）困難再談9磁共振技術(shù)：ESR、NMR、Mssbauer譜；光譜？規(guī)則形狀：理論修正（宏觀磁性測量）； 鐵磁共振（FMR）：Kittel公式不規(guī)則形狀：幾乎不可能分子場（交換場）：？（磁共振AFMR）2、退磁場比較困難3、磁超精細(xì)磁場解決較好39感謝你的觀看2019年9月13各種磁場的測量v 物體內(nèi)的磁場辦法不多4、磁晶各向異性等效場宏觀 解決較好再談10鐵磁共振：球形樣品，各向異性常數(shù)測量中子衍射、Mssbauer譜：？磁二色譜：XMCD，Bruno提出（1989年）宏觀磁性測量：磁轉(zhuǎn)矩方法、 磁光Kerr效應(yīng)（復(fù)旦 金曉峰

21、）磁化曲線方法：奇點(diǎn)探測法（SPD） 取向樣品磁化曲線交點(diǎn)40感謝你的觀看2019年9月13宏觀磁性能的測量v 直流磁性能解決相當(dāng)好再談11各種宏觀直流磁性能測量技術(shù)，如：電磁感應(yīng)、力學(xué)、光學(xué)、磁共振技術(shù)，等。工頻、射頻、微波、遠(yuǎn)紅外（馬達(dá)、通信、磁共振）磁光效應(yīng)（Faraday、Kerr、XMD）：基本解決光磁效應(yīng)：有待研究v 交流磁性能解決比較好v 光頻磁性能41感謝你的觀看2019年9月13自旋極化率的測量v 自旋極化率的定義再談122、A. F. Andreev反射：表面（界面）極化狀態(tài)Fermi面附近不同取向的電子自旋態(tài)密度的差？v 自旋極化率的測量原理缺陷1、電輸運(yùn)（隧道效應(yīng)）：傳

22、導(dǎo)電子的自旋極化3、光電子譜（PES）：XMCD/XMLD能量分辨差transportP()()()()FFAndreevFFNENEPNENEVI超導(dǎo)體VIB42感謝你的觀看2019年9月13動(dòng)態(tài)磁化過程v 動(dòng)態(tài)磁化過程的定義再談13狹義：交流磁化過程（工頻、射頻、微波）廣義：磁化狀態(tài)隨時(shí)間變化的具體過程。 固定周期的交變磁場、脈沖磁場v 動(dòng)態(tài)磁化過程的觀測快速發(fā)展磁光效應(yīng)：二次諧波Kerr效應(yīng)（SHMOKE）磁共振：鐵磁共振（FMR）光電子譜（PES）：XMCD/XMLD能量分辨其它43感謝你的觀看2019年9月13磁成像技術(shù)v 雜散磁場成像：限于物體表面再談14粉紋法（Bitter Pa

23、ttern）：磁性顆粒受疇壁雜散場影響。磁力顯微鏡（MFM）：Magnetic Force Microscopy掃描Hall探針（SHP）：Scanning Hall Probe掃描SQUID顯微鏡（SSM）：Scanning SQUID Microscopy掃描MR顯微鏡（SMRM）：基于磁場電流效應(yīng)，有待發(fā)展Lorentz電子顯微鏡：電子受到的Lorentz力作用電子全息術(shù)：Electron Holography（1967，Cohen）干涉 物體表面的磁疇成像：豐富多彩 物體內(nèi)部的磁疇成像：進(jìn)展緩慢兩大類原理：1、雜散磁場成像；2、磁矩本身成像44感謝你的觀看2019年9月13磁成像技術(shù)v

24、 磁矩成像：磁矩大小、方向再談15磁光Faraday效應(yīng)（MOFE）：內(nèi)部磁疇？磁光Kerr效應(yīng)（MOKE）：表面磁矩成像 表面磁光Kerr效應(yīng)（SMOKE）： 二次諧波磁光Kerr效應(yīng)(SH-MOKE)：Second Harmonic Magneto Optical Kerr Effect近場光學(xué)成像1、光學(xué)成像：磁光效應(yīng)2、電子成像：自由電子束，受激發(fā)電子（光電子、二次電子）45感謝你的觀看2019年9月13磁成像技術(shù)v 磁矩成像：表面再談16自旋極化低能電子顯微術(shù)（SPLEEM）：Spin-polarized Low Energy Electron Microscopy表面的自旋相關(guān)準(zhǔn)彈

25、性散射 自旋極化自由電子束：極化分辨掃描電子顯微鏡（SEMPA）：Scanning Electron Microscopy with Polarization Analysis,用Mott探測器測量二次電子的自旋極化狀態(tài) 二次電子：自旋極化掃描隧道顯微鏡（SP-STM）：Spin-polarized Scanning Tunneling Microscopy表面的自旋相關(guān)隧道效應(yīng)彈道電子磁顯微鏡（BEMM）：Ballistic Electron Magnetic Microscopy，自旋相關(guān)的電子散射（彈道電流強(qiáng)弱）46感謝你的觀看2019年9月13磁成像技術(shù)v 磁矩成像：表面再談17光電發(fā)射電子顯微術(shù)（PEEM）：Photoemission Electron Microscopy基于磁二色譜的方法 光電子（photoemitted electrons）：磁二色譜? 磁圓二色譜(MCD)：Magnetic Ci