磁性測量概論

1、磁 性 測 量 概 論（共 50 頁） 磁 性 磁 性 測 量磁 性 測 量 概 論 希望 澄清一些磁學計量概念 幫助 了解數據的來源 全面 掌握數據的測量方法 促進 研究磁性的測量理論與測量技術目的1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 ？標準、規(guī)程原理、方法如何保證正確性 ？量 值 溯 源量 具 檢 定計 量Metrology計 量Metrology2磁 性 磁性的起源：原子 磁矩未 成 對 電 子電 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Pauli不相容原理Hund

2、法則固有3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 電 子Pauli不相容原理Hund 法則固有3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 超量子力學效應全同粒子4磁 性 物質的磁性（內稟）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

3、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5磁 性 物體的磁性（表觀內稟）制備工藝相關物理原理決定尺寸效應（退磁因子）（天體基本粒子）結 晶 狀 態(tài) 顯 微 結 構雜 質 狀 態(tài)Fe 或者 鐵Co 或者 鈷6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 中子散射 ？ Mssbauer譜 ？間接測量單原子：假設、計算統(tǒng)計平均：總體平均原子核磁矩？再談磁 性 測 量 磁性測量原則各種譜物質力、聲熱電磁光粒子人8盤點我們的本事磁 性 測 量 磁性測量原理宏觀物理效應微觀物理效應磁 共 振 效 應電磁感應原理磁矩測量磁

4、場測量磁通測量間接測量直接測量9磁 性 測 量 電磁感應原理面積A磁通量0 DtBE0 Bt DjH0SLSBLEBddtddtddSBdS10磁 性 測 量 物理效應之一：磁電自旋相關電子散射磁 場載 流 子巨磁致電阻效應（GMR）超大磁致電阻效應（CMR）各項異性磁致電阻效應（AMR）磁致隧道效應(TMR)一般磁致電阻效應（OMR）回旋共振（載流子、離子）Shubnikovde Haas效應Hall效應量子Hall效應經典Hall效應分數Hall效應整數Hall效應11磁場中的電輸運磁 性 測 量 物理效應之二：磁光磁線振二向色性磁圓振二向色性Faraday效應磁雙折射效應CottonMo

5、uton效應Zeeman效應磁致激發(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效應縱向Kerr效應極向Kerr效應橫向Kerr效應12磁 性 測 量 物理效應之三：磁力（聲）磁振子聲子相互作用磁聲效應磁力效應磁致伸縮旋磁效應扭矩效應交變梯度磁強計磁秤（常用的有7種）轉矩壓磁效應線性效應體效應圓周效應Guillemin效應橫向Joule效應Brackett效應Joule效應扭矩減小效應勁度系數效應Wiedemann效應Einsteinde Hass效應Barrett效應13磁 性 測 量 物理效應之四：磁熱磁致溫差效應磁 熱 效 應磁

6、 卡 效 應14磁場敏感器件磁 性 測 量 物理效應之五：磁磁中子散射（衍射）磁振子相互作用磁結構確定磁 疇 觀 測Lorentz力雜散磁場效應磁力（MF）顯微法Bitter（粉紋）法15磁 性 測 量 磁相關共振亞鐵磁共振（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效應自 旋 共 振Zeeman能級回 旋 共 振Landau能級回旋共振（載流子、離子）16SR磁 性 測 量 磁性測量: 技 術信號發(fā)生信號變換信號采集信號傳輸信號存儲信號處理電 信 號光 信 號模擬技術數字技術17磁 性 測 量 磁性測量:

7、傳統(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 計18磁 性 測 量 磁性測量: 傳統(tǒng) 儀 器信號發(fā)生信號變換電磁感應空間變化振動樣品、提拉樣品、沖擊法、SQUID磁強計時間變化動態(tài)磁性測量儀、永磁材料測試儀物理效應光SMOKE、磁圓（線）振二向色性電交、直流電輸運力磁轉矩、磁秤、交變梯度磁強計磁 共 振穩(wěn)恒磁場微波磁場ESR、FMR、AFMR、NMR、Mssbauer譜回旋共振19磁 性 測 量 磁性測量: 傳統(tǒng) 儀 器信號采集

8、信 號 采 集 方 法儀 器 設 備信 號 放 大 方 法探測線圈振動樣品磁強計鎖相放大器提拉樣品磁強計積分放大器SQUID磁強計SQUID放大器沖擊法光電檢流計懸絲扭矩、杠桿失衡轉矩儀、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計壓電晶體、前置放大器極化光偏振方向、檢偏器SMOKE光電變換器、前置放大器電阻應變片應變、激光行程磁致伸縮儀電阻應變器、前置放大器（微波）能量吸收各類共振儀器各種RF放大器20磁 性 測 量 磁性測量: 傳統(tǒng) 儀 器信號傳輸信號存儲信號處理與 天 斗其樂無窮與 地 斗其樂無窮21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

9、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 ConditionsSTOPTemperature22磁 性 測 量 磁性測量：虛擬 儀 器Virtual Instrumentat

10、ion- Computer Based Instruments23磁 性 測 量 磁性測量：虛擬 儀 器24待發(fā)展虛 擬 儀 器 系 統(tǒng) (引用)GPIBSerialDAQProcessorUnit Under TestVXIImage AcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware & Driver Software Measurement Studio LabVIEW25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 field什么

11、是 “磁性”（ZHAO）不僅僅是：Magnetic Property of 再談1至少包括：微觀粒子磁矩：質子、中子、電子、介子；原子、離子；分子、原子團、 顆粒粒子的磁相互作用：交換作用、偶極作用、超精細相互作用；自旋 軌道耦合；分子場、自旋極化率 宏觀材料本身：磁化強度、矯頑力、磁能積；磁化率、磁導率；居里溫度、 磁各向異性1.材料與外界條件的相互作用：磁力、磁光、磁熱、磁電、共振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、質子（氫離子）、電子、原子、離子、原子團4、磁場偏轉（SternGerlach實驗）：中子、質子、介子1、電子自旋假設：G. E. Uhlenbeck和

12、S. Goudsmit（1925）；2、電子自旋理論：P. A. M. Dirac（1928）3、電子自旋測量：SternGerlach實驗（1922）candidate for the most beautiful experiment (Robert P Crease )5、原子核磁矩：核磁共振（NMR）、自旋回波（spin echo） Mssbauer效應、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）SternGe

13、rlach實驗（1922年）：電子自旋MichelsonMorley實驗（1887年）：光傳播Cavendish實驗（1776年）：空球殼的電荷分布、電荷作用WeberKohlrausch實驗（1856年）：靜止電荷與運動電荷關系吳健雄實驗（1956年）：弱相互作用的宇稱不守恒1. 藍色：另有專題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、質子（氫離子）、電子、原子、離子、原子團一般是磁性材料：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：（實現(xiàn)無相

14、互作用的自由狀態(tài)）7、宏觀磁性測量技術：可用統(tǒng)計平均v 凝聚體的電子自旋與軌道磁矩：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（Zeeman能級）之間躍遷2、原子核磁矩與電子的相互作用：由于磁超精細相互作用的存在：Mssbauer效應：核磁矩基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能級躍遷；電子自旋共振（ESR）、光譜超精細結構、 SR磁結構與相互作用v 磁結構有效方法不多點陣分辨1、磁結構的定義：再談5針對材料而言；原子磁矩的空間（幾何）位置、相對取向。2

15、、比較有效的（直接）方法：目前只有中子衍射是測定材料磁結構的有效方法。磁二色譜：元素分辨，提高空間位置分辨率相變方法：磁共振、各種宏觀磁性測量技術3、其它可以使用的方法：NMR、Mssbauer譜謹慎原命題：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“A”“具有鐵磁性”； “

16、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”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一個人的能力不在于 學會了 多少知識而在于 學會了 使用 多少知識磁結構與相互作用v 磁結構有效方法不多點陣分辨相變方法：溫度依賴關系 理論再談61、磁共振方法：可以分辨磁性與非磁性；包括（Mssbauer譜測量鐵磁順磁轉變：譜線劈裂、ESR、FMR、NMR等）2、宏觀磁性測量技術： 測量材料的磁化率溫度曲線。根據曲線的特征判斷磁結構。屬于總體平均結果，不是原子點陣分辨的，只能（定性）說明材料整體處于何種磁結構磁結

17、構與相互作用v 交換相互作用磁結構再談7超精細相互作用：磁共振技術、光譜宏觀磁偶極作用：（大塊材料）力學測量自旋軌道耦合：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 磁超精細作用解決v 自旋軌道耦合？各種磁場的測量v 物體外的磁場空間1、地球范圍內的磁場基本解決再談8各種磁場傳感器：Hall效應磁強計、各種磁場電流效應（MR）、磁通門磁強計、SQUID、磁光效應、NMR2、地球外宇宙的磁場無直接測量理論預言：天體物理（中子星、磁星，等等）生物體磁場：生物體磁場：SQUID、磁通門磁強計磁通門磁強計各種磁場的測量v 物體內的磁場辦法不多1、分子場（交換場）困

18、難再談9磁共振技術：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、磁超精細磁場解決較好各種磁場的測量v 物體內的磁場辦法不多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：磁轉矩方法、 磁光Kerr效應（復旦 金曉峰）磁化曲線方法：奇點探測法（SPD） 取向樣品磁化曲線交點宏觀磁性能的測量v 直流磁性能解決相當好再談11

19、各種宏觀直流磁性能測量技術，如：電磁感應、力學、光學、磁共振技術，等。工頻、射頻、微波、遠紅外（馬達、通信、磁共振）磁光效應（Faraday、Kerr、XMD）：基本解決光磁效應：有待研究v 交流磁性能解決比較好v 光頻磁性能自旋極化率的測量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（隧道效應）：傳導電子的自旋極化3、光電子譜（PES）：XMCD/XMLD能量分辨差transportP()()()()FFAndreevFFNENEPNENEVI超導體VIB動態(tài)磁化過程v

20、 動態(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)隨時間變化的具體過程。 固定周期的交變磁場、脈沖磁場v 動態(tài)磁化過程的觀測快速發(fā)展磁光效應：二次諧波Kerr效應（SHMOKE）磁共振：鐵磁共振（FMR）光電子譜（PES）：XMCD/XMLD能量分辨其它磁成像技術v 雜散磁場成像：限于物體表面再談14粉紋法（Bitter Pattern）：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 M

21、icroscopy掃描MR顯微鏡（SMRM）：基于磁場電流效應，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：Electron Holography（1967，Cohen）干涉 物體表面的磁疇成像：豐富多彩 物體內部的磁疇成像：進展緩慢兩大類原理：1、雜散磁場成像；2、磁矩本身成像磁成像技術v 磁矩成像：磁矩大小、方向再談15磁光Faraday效應（MOFE）：內部磁疇？磁光Kerr效應（MOKE）：表面磁矩成像 表面磁光Kerr效應（SMOKE）： 二次諧波磁光Kerr效應(SH-MOKE)：Second Harmonic Magneto Optical Ker

22、r Effect近場光學成像1、光學成像：磁光效應2、電子成像：自由電子束，受激發(fā)電子（光電子、二次電子）磁成像技術v 磁矩成像：表面再談16自旋極化低能電子顯微術（SPLEEM）：Spin-polarized Low Energy Electron Microscopy表面的自旋相關準彈性散射 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表面的自旋相關隧道效應彈道電子磁顯微鏡（BEMM）：Ballistic Electron Magnetic Microscopy，自旋相關的電子散射（彈道電流強弱）磁成像技術v 磁矩成像：表面再談17光電發(fā)射電子顯微術（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(M