《磁性測量》第三講原理和技術

中國科學院物理研究所通用實驗技術公共課程《磁性測量》趙同云磁學國家重點實驗室2024年4月24日第三講：原理和技術聲明依據(jù)《中華人民共和國著作權法》第二十二條的規(guī)定，本講稿所引用的一些可公開查閱的書籍、報告、論文等文獻中的圖、表、數(shù)據(jù)等資料，僅為課堂教學使用。未經(jīng)其知識產(chǎn)權所有者許可，任何人不得將其用于商業(yè)贏利之目的！

趙同云目錄

中子散射電磁感應定律磁光效應磁電效應磁力（學）效應磁共振效應磁熱效應中子散射的原理和技術中子的特性中子的磁散射中子散射在磁性測量中的獨特地位中子散射的原理和技術NeutronScatteringfromMagneticMaterials, TapanChatterjied.,ElsevierB.V.,Amsterdam(2006).《中子衍射技術及其應用》（《現(xiàn)代物理基礎叢書》第42卷）， 姜傳海、楊傳錚，科學出版社，2012年?！吨凶游锢韺W：原理、方法與應用》（上冊、下冊）， 丁大釗、葉春堂、趙志祥，原子能出版社，2005年。參考資料：CSNS航拍圖

2018年中國散裂中子源ChinaSpallationNeutronSource（CSNS）東莞松山湖（2007年～2018年）2011年10月20日奠基儀式2001年2月，香山會議提出在中國建設散裂中子源的設想。2005年7月19日，國家科教領導小組原則批準未來5年內(nèi)建造9個重大科學裝置，中國散裂中子源項目居首位。2006年1月，中國散裂中子源啟動關鍵技術的預研。2007年2月13日，中科院與廣東省政府簽署合作備忘錄，雙方共同向國家申請在廣東東莞建設散裂中子源裝置。2007年4月26日，東莞中子科學中心在松山湖科技產(chǎn)業(yè)園正式掛牌。2007年10月13日，現(xiàn)任中國科學院院長白春禮深入東莞市大朗鎮(zhèn)水平村考察散裂中子源項目選址情況。2008年9月28日，國家發(fā)改委正式批準中國散裂中子源項目建議書。2008年10月13日，國家發(fā)改委副主任張曉強、中國科學院副院長詹文龍到東莞市大朗鎮(zhèn)視察散裂中子源建設地。2009年6月，中國散裂中子源工程建設領導小組成立，8月21日，散裂中子源工程領導小組在廣州舉行第一次會議。2010年4月23日，國家環(huán)境保護部批復《中國散裂中子源建設項目環(huán)境影響報告書》，5月24日，國土資源部批復《關于中國散裂中子源項目用地預審的請示》。2011年2月24日，國家發(fā)改委正式批復中國散裂中子源項目建設可行性研究報告。2011年3月14日，十一屆全國人大四次會議表決通過《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》，散裂中子源被列入國家“十二五”規(guī)劃的“科技創(chuàng)新能力建設重點”。2011年5月12日，中科院正式批復散裂中子源項目初步設計及概算，8月25日，中科院院長白春禮為“中國散裂中子源”題名。2011年10月20日，中國散裂中子源在東莞舉行工程奠基典禮，正式開工建設。俯瞰圖中子的特性SirJamesChadwick（1891～1974）1932年1935年約里奧居里夫婦（錯過的粒子）發(fā)現(xiàn)者遺憾者1931年電子磁矩：中子磁矩：電子質(zhì)量：me=9.10938356(11)

10

31kg中子質(zhì)量：mn=1.674927471(21)

10

27kg取自CoData2014中子的特性LouisdeBroglie（1892～1987）1924年經(jīng)典電子半徑：中子半徑：？取自CoData2014deuteronrmschargeradius：粒子？波？中子的能量：快中子、慢中子、熱中子、冷中子、…中子動能～熱能Maxwell-Boltzmann速率分布中子的特性熱中子的波長：溫度（K）3002902007710000波長（nm）0.1780.1810.2180.3510.031速率（m/s）2223.922186.541815.821126.6912839.8能量（meV）25.85224.99017.2356.6353861.73無（線電是中子）所不能的？中子的用處核物理研究：常規(guī)粒子無（線電是中子）所不能的材料性質(zhì)研究：全能粒子材料性質(zhì)改造：特種粒子晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)、應力、動力學CHNO同位素制造、核廢料再生中子的磁散射CliffordGlenwoodShull（1915～2001）ErnestOmarWollan（1902～1984）1994年BertramNevilleBrockhouse（1918～2003）技術譜學1940s～中子微分散射截面的主方程（masterformula）：取自“參考資料1”下標“0”：入射；下標“1”：出射原子在哪兒？原子在干什么？中子的磁散射1940s～散射截面：n0：單位面積的入射中子數(shù)入射中子樣品

（

，

）方向

n：立體角內(nèi)的出射中子數(shù)微分散射截面：

0

1（E0,k0,

0）（E1,k1,

1）雙微分散射截面：出射中子全微分散射截面：中子的磁散射1940s～幾個算符：電子自旋和軌道磁矩所產(chǎn)生的磁場：中子磁矩在電子所產(chǎn)生的磁場中的位勢：V中子的磁散射1940s～幾個算符：中子的散射矢量算符：中子的位移矢量算符：樣品k0k1qrriR磁相互作用算符：求和遍及所有的未成對電子：單位波矢量中子的磁散射1940s～幾個算符：中子的磁散射1940s～幾個算符：電子的自旋磁化強度算符：自旋的磁化強度（實空間）：自旋密度：自旋的磁化強度（動量空間）：（自旋）磁相互作用算符：中子的磁散射1940s～幾個算符：電子的軌道磁化強度算符：軌道的磁化強度（動量空間）：（軌道）磁相互作用算符：中子的磁散射1940s～幾個算符：電子的總磁化強度算符：總磁化強度：磁相互作用算符：中子的磁散射1940s～什么意思：

k1k0qDD

在特定方向可以檢測到被磁（化強度）散射的中子

與中子散射矢量q的關系：中子的磁散射1940s～

與中子自旋取向

的關系：熱中子：

，

：笛卡兒坐標系的坐標分量中子的磁散射1940s～

，

：笛卡兒坐標系的坐標分量Pauli自旋算符的性質(zhì)：Kronecker’sdelta：

與中子自旋取向

的關系：中子的磁散射1940s～

，

：笛卡兒坐標系的坐標分量

與中子自旋取向

的關系：磁化強度散射矢量方向性中子的磁散射1940s～最后一個通用方程：

與磁矩位置的關系：空間位置DiracDelta：局域電子、巡游電子、自旋-軌道耦合中子的磁散射1940s～（例）局域電子體系：

與磁矩位置的關系：原子位置關聯(lián)函數(shù)磁矩取向關聯(lián)函數(shù)f(q)：中子磁散射的形狀因子（磁性電子密度分布）f(q)

：隨散射角增大，衰減比X射線更快；中子核散射的形狀因子：與散射角度無關?？臻g位置中子的磁散射1940s～（例1）順磁體系：空間位置漫散射項：Bragg散射項：k1k0q外加磁場BBravais胞倒格矢磁場中的順磁體中子的磁散射1940s～（例2）鐵磁體系：空間位置k1k0q外加磁場BBravais胞倒格矢飽和磁化的鐵磁體：各向同性的鐵磁體：

中子的磁散射1940s～（例3）反鐵磁體系：空間位置晶格（原子核）的Bravais胞倒格矢各向同性的鐵磁體：磁（矩）晶格的Bravais胞倒格矢磁結(jié)構(gòu)的波矢簡單立方中子散射的獨特地位磁結(jié)構(gòu)的唯一性問題：邏輯中子散射的實驗：儀器和樣品實驗數(shù)據(jù)的解析：磁群（二色群）同步輻射的磁散射：第二個？中子散射：目前，唯一的、可信賴的、直接判定磁結(jié)構(gòu)的技術。MTHM反鐵磁性？超順磁性？自旋玻璃？磁晶各向異性？…鐵磁性？亞鐵磁性？超順磁性？…原命題：如果A成立

B成立；（A是B的充分條件）逆命題：如果BA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”；“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”充分條件非必要條件學會了多少知識

學會了使用多少知識電磁感應原理FaradayLawofElectromagneticInduction電磁感應定律

Faraday’sLaw電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通變化率成正比。1831年08月29日，法拉第（MichaelFaraday,1791.09.22～1867.08.25）電路移動：磁場變化：《費曼物理學講義（中文版）》第2卷，第195頁：“我們知道，在物理學的其它領域里還沒有一個這么簡單而又準確的普遍原理竟需要從兩種不同現(xiàn)象作出分析才能真正加以理解的。通常，這么一個優(yōu)異的普遍性總是發(fā)源于一個單一而又深刻的基本原理?！彪姶鸥袘?電磁感應原理面積A磁通量

電磁感應2×匝數(shù)Faraday-Maxwell’sLaw電磁感應原理的應用基礎

（專題）磁偶極子假設變化磁通的技術實現(xiàn)變化磁通的測量電磁感應原理磁通量

電磁感應3必須明確的幾個問題自由空間的穩(wěn)態(tài)磁通可以直接測量－磁通計樣品內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)磁通無法直接測量？變化的磁通可以直接測量如何產(chǎn)生變化的磁通如何測量變化的磁通電磁感應原理電磁感應4必須明確的幾個問題1、變化的磁通2、檢測線圈3、磁矩定標被測樣品檢測線圈靜止運動靜止迴線儀VSM、ESM、MPMS運動振動（轉(zhuǎn)動）線圈電磁感應原理電磁感應5t0t1ε(t)t沖擊法磁強計電動法感應（測量發(fā)電機）法電子積分器、數(shù)字積分器各種手動、自動直流磁性測量儀器磁場強度H

磁矩、磁場、磁通及其測量從定義出發(fā)理解測量的含義磁通密度（磁感應強度）B表示磁場強弱程度磁通磁化強度M單位體積內(nèi)的磁矩，表示磁化的強弱程度磁場的強度磁矩m：表示物質(zhì)磁性強弱課后作業(yè)06基礎14了解中子的基本特性，如，中子的質(zhì)量、磁矩，熱中子、冷中子，快中子、慢中子，中子波長的計算方法，產(chǎn)生中子的方法等。（造訪中國散裂中子源。）原理03物質(zhì)對中子的散射與對X射線、電子的散射有何異同？中子散射是否有不可替代的獨特性？原理04什么是磁結(jié)構(gòu)？中子散射測量磁結(jié)構(gòu)的原理是什么？為什么中子散射被認為是目前直接確定物質(zhì)磁結(jié)構(gòu)的唯一可信的技術方法？原理05深入了解電磁感應定律的物理意義。（可參考《費曼物理學講義》第二卷第十七章的內(nèi)容）技術05什么是極化中子？什么是非極化中子？中子散射實驗對所用樣品有什么要求？了解中子散射實驗的數(shù)據(jù)處理流程。磁光效應MagnetoopticalEffects2.2磁性測量的依據(jù)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Cotton－Mouton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效應借072、磁性測量的總體概況磁與光及相關效應光的吸收、散射和色散M（B）EHSzxyOEM(B)參考讀物關于偏振、透射、反射、散射、吸收（《電動力學》）“Magneto-opticaleffects”,P.S.Pershan,J.Appl.Phys.,38,1482-1490(1967).《計量測試技術手冊》第7卷《電磁學》，中國計量出版社，1996《磁性測量》，周世昌編，電子工業(yè)出版社，1994《拉曼布里淵散射》，程光熙著，科學出版社，2001“Magneticdichroismincore-levelphotoemission”,K.Starke,Springer-Verlag,2000“X-rayscatteringandabsorptionbymagneticmaterials”,S.W.Lovesey,S.P.Collins,OxfordU.Press,1996參考讀物“SpinDynamicsinConfinedMagneticStructuresI(TopicsinAppliedPhysics,83)”,byBurkardHillebrands,KamelOunadjela,B.Hillebrands,$159.00,388pages,Springer-VerlagTelos;(January1,2002),ISBN:3540411917“SpinDynamicsinConfinedMagneticStructuresII(TopicsinAppliedPhysics,87)”,byBurkardHillebrands,KamelOunadjela,$189.00,440pages,Springer-Verlag;(March18,2003),ISBN:3540440844“SpinDynamicsinConfinedMagneticStructuresIII”,byBurkardHillebrands(Editor),AndreThiaville(Editor),$225.00,350pages,Springer-Verlag;(September15,2004),ISBN:3540201084參考讀物“GroupTheoryinSpectroscopywithapplicationstoMagneticCircularDichroism”,bySusanB.Piepho,PaulN.Schatz,Wiley-InterscienceMonographsinChemicalPhysics,SeanP.McGlynn,Editor,(1983).JohnWiley&Sons,Inc.,ISBN:0-471-03302-2“InelasticScatteringofX-RayswithVeryHighEnergyResolution”,byEberhardBurkel,SpringerTractsinModernPhysics,Volume125,Springer-Verlag;(1991),ISBN:3-540-54418-6參考讀物A.K.ZvezdinandV.A.KotovModernMagnetoopticsandMagnetoopticalMaterialsInstituteofPhysicsPublishing,BristolandPhiladelphia,1997,ISBN:075030362X物理的非（純）數(shù)學的光是什么？會意。甲骨文字形,“從火,在人上”。本義:光芒,光亮《說文》：光,明也。Light？Optic？Photology？Sight？Photics？物理：光是能量的一種形式光的表征：波長、頻率；強度；速度；相位；偏振；光與介質(zhì)光的產(chǎn)生（光輻射）：量子力學的發(fā)源光的干涉與衍射：波的特性光的吸收、散射與色散：物理性質(zhì)的研究光致輻射：光電效應散射反射折射雙折射吸收色散光電效應磁場磁性介質(zhì)磁場、磁性介質(zhì)對光的影響對光輻射的影響對光的吸收的影響對光的散射的影響透射：Faraday效應、Voigt效應、Cotton－Mouton效應反射：磁光Kerr效應對光的偏振狀態(tài)的影響能級劈裂：Zeeman效應磁二色性：磁圓二色譜（MCD）、磁線二色譜（MLD）磁致非彈性光散射：Brillouin散射對光的強度的影響線偏振光的反射：s光、p光磁場、磁性介質(zhì)對光的影響發(fā)現(xiàn)歷史1845年，M.Faraday發(fā)現(xiàn)光平行磁場透過玻璃時偏振面旋轉(zhuǎn)1876年，J.C.Kerr發(fā)現(xiàn)光從磁性介質(zhì)表面反射時偏振面旋轉(zhuǎn)1896年，P.Zeeman發(fā)現(xiàn)磁場導致發(fā)光光譜的劈裂1902年，Voigt發(fā)現(xiàn)光垂直于磁場在氣體中傳播時發(fā)生雙折射1907年，Cotton和Mouton發(fā)現(xiàn)了液體的Voigt效應1914年－1922年，L.Brillouin預言聲波調(diào)制的非彈性光散射1975年，J.L.Erskine理論計算金屬鎳的M2,3磁－光吸收譜1985年，B.T.Thole理論計算稀土金屬的M4,5磁二色譜1987年，G.Schütz測量了鐵的磁圓二色譜1992年，B.T.Thole提出磁二色譜的sumrules磁與光及相關效應磁光1磁－光效應的種類效應名稱光路/模式入射光出射光Faraday效應透射平行于M線偏振偏振面旋轉(zhuǎn)Cotton-Mouton效應（Voigt效應）磁雙折射效應垂直于M線偏振橢圓偏振磁圓振二向色性吸收平行于M線偏振橢圓偏振磁線振垂直于M線偏振橢圓偏振橫向Kerr效應反射M垂直于表面線偏振橢圓偏振縱向M平行表面及入射面線偏振橢圓偏振極向M平行表面垂直入射面線偏振橢圓偏振Zeeman效應發(fā)光磁場中光源發(fā)射的光譜發(fā)生劈裂磁致激發(fā)光散射Raman散射磁振子－光子散射（Brillouin散射）磁光效應的物理來源經(jīng)典（電動力學）理論磁場使得介電張量矩陣變?yōu)榉菍ΨQ矩陣磁光效應來源于非對角矩陣元：旋光性磁場的作用：時間反演對稱性破缺量子理論－材料的電子結(jié)構(gòu)和電子波函數(shù)躍遷定則：角動量守恒自旋－軌道耦合，磁場能：Zeeman能所需基礎知識電磁波的產(chǎn)生與檢測電磁波與物質(zhì)的相互作用：

a.光的偏振，波的合成

b.電動力學（Maxwell方程）

c.量子力學、散射截面

d.電磁波在（磁性）介質(zhì)中的傳播模式

e.電磁波在物質(zhì)表面的反射

f.電磁波的散射、吸收與發(fā)射EHS光的能量范圍與磁效應10

m10-1nm1nm10nm100nm1

m10-2nm10-3nm100km10km1km100m10m1m10cm1cm1mm100

m10THz1018Hz1017Hz1016Hz1015Hz100THz1019Hz1020Hz1kHz10kHz100kHz1MHz10MHz100MHz1GHz10GHz100GHz1THz

射線X-射線紫外線可見光紅外線遠紅外線VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF微波無線電—1K—10K—100K—103K—104K—105K—106K—107K—108K—109K—0.001eV—0.01eV—0.1eV—1eV—10eV—100eV—1keV—10keV—100keV—1MeV1cm－1—10cm－1—100cm－1—1000cm－1—10000cm－1—磁與光及其相關效應磁共振磁共振電子預備1RF磁與光、光與磁一、磁場（或者磁矩）對光的作用各種磁－光效應：偏振，吸收，散射，能級二、光對介質(zhì)磁性能的作用光輻照效應：矯頑力、磁導率、磁各向異性，鐵磁共振電子的能級移動自旋－軌道耦合＋Zeeman劈裂強度、偏振、方向、頻率、相位HM磁與光及相關效應磁光法拉第效應磁光克爾效應布里淵散射磁二色譜動態(tài)磁化過程的觀測磁光Faraday效應MagneticOpticalFaradayEffect(MOFE)1845年，M.Faraday所有介質(zhì)FaradayM.,Phil.Trans.Roy.Soc.136,1(1846)/definition/Faraday_effect磁光Faraday效應法拉第效應1線偏振光Ml0左旋圓偏振光右旋圓偏振光入射光橢圓偏振光出射光

磁光Faraday效應法拉第效應2Faraday旋轉(zhuǎn)角

F：（l0為樣品厚度）V：Verdetconstant，非磁性介質(zhì)K：Kundtconstant，磁性介質(zhì)Ml0O/E線偏振橢圓偏振光電轉(zhuǎn)換石英玻璃苯Y(jié)IGV:

/(cm·T)Hg:435.8nm4.359.25Na:588.9nm2.395.06K:

/(cm·Oe)830nm3.4磁光Faraday效應法拉第效應3磁光Faraday效應的應用磁光隔離器（透射型，如YIG）磁場強度測量（非磁性介質(zhì)）磁光存儲器讀頭（read）磁化行為測量（磁性介質(zhì)）磁疇結(jié)構(gòu)觀測（透光）動態(tài)磁化過程磁光Kerr效應MagneticOpticalKerrEffect(MOKE)1876年，ReverendJ.C.Kerr所有介質(zhì)KerrJ.C.,J.Rep.Brit.Assoc.5,(1876)磁光Kerr效應克爾效應1磁光Kerr效應的原理線偏振光頻電磁波在磁化強度為M

的介質(zhì)表面反射時，反射光一般是橢圓偏振光，同時偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度αKerr

正比于介質(zhì)的磁化強度M。其物理過程可由Fresnel光反射公式描述。θiθrθtE如果M＝0，r12＝r21＝0，即，一般Fresnel公式光在磁性介質(zhì)表面的反射磁化強度－入射面－反射面ErME0ErME0ME0Erreflection+transmission極向Kerr效應縱向Kerr效應橫向Kerr效應非垂直入射反射率與M相關磁光Kerr效應克爾效應2http://www.qub.ac.uk/mp/con/magnetics_group/MOlooper.html磁光Kerr效應克爾效應3磁光Kerr效應的應用磁化行為測量（縱向、極向）磁疇結(jié)構(gòu)觀測（insitu）：SMOKE動態(tài)磁化過程磁光存儲器讀頭（read）磁光隔離器（反射型）磁場強度測量SHGSecondHarmonicGeneration磁光Kerr效應克爾效應4利用磁光Kerr效應測量各向異性psrkMROT-SMOKE復旦大學關于磁光Faraday效應與Kerr效應的補充1、物理來源：自旋－軌道耦合TheoryoftheFaradayandKerreffectsinferromagnetics,PetrosN.Argyres,Phys.Rev.,97(2)(1955)334-345非磁性介質(zhì)：Zeeman效應；磁性介質(zhì)：自旋－軌道耦合Faraday磁光效應與Kerr磁光效應：只考慮自旋－軌道耦合的一級近似，轉(zhuǎn)角～<M>Voigt磁光效應或者Cotton－Mouton磁光效應：需考慮自旋－軌道耦合的二級近似，轉(zhuǎn)角～<M2>2、反鐵磁磁疇觀測：SHG？secondharmonicgeneration:轉(zhuǎn)角～<M2>LorentzforceBrillouin散射譜BrillouinScattering1912年～1922年，L.Brillouin所有介質(zhì)BrillouinL.,Compt.Rend.,158,1331(1914)BrillouinL.,Ann.Phys.(paris),17,88(1922)光的散射光散射1理想透射、彈性散射、非彈性散射理想的光透射情況：均勻介質(zhì)（無任何起伏），無能量交換的過程。光波沿原方向傳播。實際上，幾乎找不到與之相對應的真實過程。彈性散射的光透射情況：介質(zhì)中存在與時間無關的某種起伏，使得光波偏離原方向，但是頻率不發(fā)生變化。如Rayleigh散射、廷德爾散射和米氏散射。不檢測能量變化。非彈性散射的光透射情況：介質(zhì)中存在隨時間變化的不均勻性，導致光波偏離原方向，而且頻率發(fā)生變化（頻移）。如Raman散射和Brillouin散射。檢測能量變化。晴朗的天空為什么是藍色的？JohnTyndall（1869）JohnRayleigh（1880）AlbertEinstein（1910）非彈性光散射光散射2Raman散射（C.V.Raman，1928）Stokes定則：（G.Stokes，1852年）入射光頻率為：

I，出射光頻率為

S

：

I；

I－；

I＋

，：Raman位移

S

＝

I：Rayleigh散射；出射光頻率等于入射光頻率。

S＝

I－：Stokes散射；出射光頻率低于入射光頻率。

S＝

I＋

：反Stokes散射；出射光頻率高于入射光頻率。一級Raman散射（普通Raman散射）超Raman散射

I±

（雙光子散射）2I±

（三光子散射）非彈性光散射光散射3Brillouin散射與Raman散射Raman散射：（C.V.Raman，1928年，CCl4液體）Brillouin散射：（L.Brillouin，1912年～1922年，預言）（E.Gross，1930年，證實）設入射光在

偏振，在

方向觀測散射光，電子極化率Rayleigh散射Brillouin散射：聲學聲子或者磁振子；Raman散射：所有種類的元激發(fā)Brillouin散射譜布里淵散射1Brillouin關于光散射的預言介質(zhì)中聲波引起的密度漲落以聲速在介質(zhì)中傳播，相當于位相光柵，從而引起入射光的Bragg衍射，衍射光的頻率產(chǎn)生Doppler位移

B，位于入射光頻率（Rayleigh散射）的兩側(cè)的1.0cm－1范圍內(nèi)。對于液體，為聲波角頻率，對于固體，為聲學聲子TA和LA頻率或者磁振子頻率。反射光kSkL

入射光q

聲波、玻色子（聲學聲子、磁振子）Brillouin散射譜布里淵散射2Brillouin散射譜的測量10-510-4cm-1Rayleigh0.51.0cm-1Brillouin5001000cm-1Raman多通Fabry－Perot干涉儀（FPI）L位置可調(diào)位置固定

對比度：自由光譜區(qū)Brillouin散射譜布里淵散射3儀器設備框圖InelasticlightscatteringinmagneticdotsandwiresSergeyO.Demokritov*,BurkardHillebrandsJournalofMagnetismandMagneticMaterials200(1999)706－719多通FPIBrillouin散射譜儀Brillouin散射譜布里淵散射4Brillouin散射譜的應用聲學聲子磁振子表面磁振子聲速的測量聲學聲子模式自旋波激發(fā)飽和磁化強度Landé因子測量表面各向異性磁二色譜X－rayMagneticCircular/LinearDichroism(XMCD/XMLD)BernardTheodoorThole(1950.4.1-1996.7.4)“Ihaveneverseensuchanexcellentpieceofwork,sopoorlywrittenup”1975，1985，1986，1987，1990，1992，1993，…synchrotronlight磁二色譜研究的起源磁二色譜1起源三：X－射線吸收譜的精細結(jié)構(gòu)W.Heisenberg,Z.Phys.,49(1928)619E.C.Stoner,Proc.Roy.Soc.Lond.,A165(1938)372T.Moriya,et.al.,J.Phys.Soc.Japan,34(1973)639起源一：磁性起源的局域模型與巡游模型之爭XAS:x-rayabsorptionspectroscopyEXAFS:extendedx-rayabsorptionfinestructureNEXAFS:near-edgex-rayabsorptionfinestructureXANES:x-rayabsorptionnearedgestructure起源二：X－射線磁光效應的研究FaradayMOE,KerrMOE,VoigtMOE磁二向色性磁二色譜2磁性材料對不同極化（偏振）光的吸收不同Experimentalproofofmagneticx-raydichroismG.vanderLaan,B.T.Thole,G.A/Sawatzky,J.B.Goedkoop,J.C.Fuggle,J.M.Esteva,R.Karnatak,J.P.Remeika,andH.A.Dabkowska,Phys.Rev.B.34(9)(1986)6529.X-raycirculardichroismasaprobeoforbitalmagnetizationB.T.Thole,P.Carra,F.Sette,G.vanderLaan,Phys.Rev.Lett.,68(1992)1943.StrongmagneticdichroismpredictedinM4,5X-rayabsorptionspectraofmagneticrare-earthmaterialsB.T.Thole,G.vanderLaan,andG.A.Sawatzky,Phys.Rev.Lett.55(1985)2086.X-raymagneticdichroismofantiferromagnetFe2O3:theorientationofmagneticmomentsobservedbyFe2pX-rayabsorptionspectroscopyP.Kuiper,B.G.Searle,P.Rudolf,L.H.Tjeng,andC.T.Chen,Phys.Rev.Lett.70(1993)1549.AbsorptionofcircularlypolarizedXraysinironG.Schütz,W.Wagner,W.Wilhelm,P.Kienle,R.Zeller,R.Frahm,G.Materlik,Phys.Rev.Lett.58(1987)737.CalculationoftheM23magneto-opticalabsorptionspectrumofferromagneticnickel

J.L.ErskineandE.A.Stern,Phys.Rev.B12,(1975)5016磁二色譜磁二色譜3磁圓二色譜：(XMCD:magneticcirculardichroism)

～M磁線二色譜：(XMLD:magneticlineardichroism)

～M2《Magneticdichroismincore-levelphotoemission》

K.Starke，Berlin，Springer-Verlag，2000磁性材料對光的吸收與磁性電子（價帶）的自旋極化有關。3dTM元素的L2,3（2p

3d）、4fRE稀土元素的M4,5（3d4f）二色譜：不同磁化方向（或者兩種偏振光）的吸收譜之差4f_XMCD3d_XMCD磁二色譜的產(chǎn)生條件磁二色譜41、樣品對于光有吸收：磁光Faraday效應、磁光Kerr效應：無吸收？2、樣品本身具有交換相互作用：鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性，等等3、對于入射光的偏振狀態(tài)沒有特別要求：圓偏振光：樣品磁化強度在光傳播方向的分量不為零線偏振光：p－極化分量、非垂直入射～磁光Kerr效應非偏振光：p－極化分量、非垂直入射～磁光Kerr效應MDPE:MagneticDichroismPhotoEmissionMDPEcanexist,ifthereisnospace-symmetryoperationwhichreversesthemagnetizationonlybutleavesthesystemunchangedotherwise.光的偏振與磁二色譜磁二色譜51、光偏振的定義方法：光沿z

方向傳播2、磁二色譜的表示方法：zRCPLCP化學RCPLCP物理圓偏振用旋轉(zhuǎn)方向q

表示：LCP：左圓偏振光＋RCP：右圓偏振光－線偏振用電矢量E

表示：p－光：平行于入射面s－光：垂直于入射面spEkMCD：吸收峰強度：A，

A

AL－AR

吸收系數(shù)：k，

k

kL－kR

MLD：橢圓度：[

]Mphotoelectronphotocurrent磁二色譜磁二色譜6元素分辨：磁矩（自旋、軌道）分辨、各向異性：原子序數(shù)Z原子量A原子光譜光吸收譜原子能級原子身份證特征譜線自旋－軌道耦合；

交換劈裂；

自旋極化相關吸收；？磁二色（XMD）譜－磁矩？原子芯電子能級量子力學據(jù)說磁二色譜的理論處理磁二色譜7Fermi’sGoldenRule：躍遷幾率躍遷幾率平面波考慮偏振q：Wigner－EckartTheorem：角動量耦合q＝0，線偏振，～<M2>；q=±1，圓偏振，～<M>SumRules：從吸收譜計算自旋和軌道的分量A：L3強度，B：L2強度預備知識磁二色譜8偏振態(tài)相關的吸收幾率

J＝0，±1；mj＝0，±1MCD：J＝－mjMLD：J＝0，1磁二色譜磁二色譜9磁性元素－磁性殼層－磁性電子3d

過渡族元素：Fe,Co,Ni4f

稀土元素：Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu特征譜線可利用的吸收限：吸收限K系L系M系N系3d

過渡族元素：1s

3d2s

3d2p

3d3p

3d4f

稀土元素：3d4f4f

5d芯電子能級未占據(jù)能級：

l＝l’－l＝±1縮小范圍預備知識磁二色譜10X－射線產(chǎn)生、散射、吸收能級躍遷幾率與選擇定則（selectionrules）自旋－軌道耦合X－射線吸收譜（XAS:x-rayabsorptionspectroscopy）光電子能譜（PES:photoelectronspectroscopy）光電子顯微譜（PEM:photoelectronmicroscopy）光發(fā)射電子顯微譜（PEEM:photoemissionelectronmicroscopy）預備知識磁二色譜11X－射線的產(chǎn)生與吸收KLMNOK

K

L

L

K1K2電子能級nMoseley定律XRDXMCD/XMLDK

K

I元素分辨連續(xù)光X－射線與同步輻射光磁二色譜121895:R?ntgen：發(fā)現(xiàn)X射線1913:Moseley：X－射線譜、Moseley定律X－射線同步輻射光（Synchrotronlight）1944：蘇聯(lián)Ivanenko和Pomeranchuk理論計算1947：通用電氣Blewett和Haber首次發(fā)現(xiàn)可見光波段的同步輻射，70－MeV1960s：NIST第一代（parasitic）同步輻射光源SURF180－MeV1970s：英國Daresbury第二代（dedicated）同步輻射光源SRS5－GeV1980s－1990s：第三代（optimizedforbrightness）同步輻射光源：

SSRL、ESRF、NSLS1995：第四代（free-electronlaser）同步輻射光源？EERCPLCP預備知識磁二色譜13能級躍遷幾率與選擇定則電子態(tài)表示：n2S+1LJn2s+1lj原子能級光譜項符號n＝1，2，3，4，

K，L，M，N，l＝0，1，2，3，n－1

s，p，d，f，L＝0，1，2，3，n－1

S，P，D，F(xiàn)，l=0,1,2,3,…,n-1,ml＝l,l-1,…,0,…,-l+1,-lj＝l±1/2mj＝j,j-1,…,-j+1,-j預備知識磁二色譜14電子在原子中的標識：n3(M)l1(p)芯能級（corelevel）2(d)價帶（valenceband）ml10-110-1210-1-2210-1-2ms???-?-?-??????-?-?-?-?-?mj3/21/2-1/21/2-1/2-3/25/23/21/2-1/2-3/23/2?-1/2-3/2-5/2jl

－1/2

2p1/2l

－1/2

3d3/2l

－1/2

2p3/2l＋1/2

3d5/2j=3/2j=1/2預備知識磁二色譜15(j,mj)與(l,ml,ms)的關系

J＝0，±1；mj＝0，±1j＝l＋s,l－ss＝1/2采用(j,mj)可以完全表示電子的能態(tài)（包括自旋取向及角動量）。預備知識磁二色譜16能級躍遷幾率與選擇定則電子的能態(tài)（能量和位置）：能級躍遷（輻射或者吸收）：可能躍遷的選擇定則：

n＝n’－n＝整數(shù)、零；

L＝L’－L＝±1；

S＝S’－S＝0；

J＝J’－J＝0，±1；禁閉J＝0J’＝0

mj＝0，±1；電偶極躍遷

ms＝0，NMR除外預備知識能級躍遷幾率與選擇定則電偶極矩躍遷選擇定則電四極矩躍遷選擇定則磁偶極矩躍遷選擇定則光子電磁場矢勢：磁二色譜17預備知識磁二色譜18mj

mj

mj＝+1

mj＝－1

mj＝0？偶極選擇定則允許的躍遷（吸收）

n＝1；L＝+1；S＝0；J＝0，±1；mj＝0，±1；ms＝02p

3d：預備知識磁二色譜19自旋極化相關的X－射線吸收線偏振：

L＝±1；S＝0；J＝0，±1；

mj＝0；ms＝0圓偏振：

L＝±1；S＝0；J＝0，±1；

mj＝±1；ms＝0左旋圓偏振光：mj＝＋1；右旋圓偏振光：mj＝－1；zyxM

mj＝0

mj＝+1

mj＝－1k右：＋?左：－?L3L2M

k？spinflip?chirality預備知識磁二色譜20能帶模型：自旋磁矩：軌道磁矩：右：＋?左：－?L3L2“spin-up”and“spin-down”aredefinedrelativetothephotonhelicityorphotonspin,whichisparallel(right)oranti-parallel(left)totheX-raypropagationdirection.《Feynman物理學講義》1964芯電子自旋－軌道耦合磁性電子－交換劈裂：磁矩入射光：偏振（角動量）預備知識磁二色譜21自旋極化探測器－磁性電子－磁矩溫度T＝0K時,基態(tài)為溫度T

0K時,各態(tài)為溫度T

0K時,能態(tài)具有Boltzmann分布圓偏振光：線偏振光：MCD：MLD：AFMAFM磁二色譜磁二色譜22Au/Co/AuJ.St?hr,JMMM,vol.200,470-497,(1999)磁二色譜的應用磁二色譜23可以測量的參數(shù)（同步輻射光源）：自旋磁矩軌道磁矩（B.T.Thole）磁晶各向異性（P.Bruno）磁疇觀測（PEEM）動態(tài)磁化過程（超快過程）動態(tài)磁化過程的觀測MagnetizationDynamicsSpinDynamicsUltrafastSpectroscopyt1t2t3t4t5t研究動態(tài)磁化過程的意義PureMagnetics動態(tài)磁化0AppliedMagnetics磁化機制：驗證磁化、反磁化過程的各種模型；各種參數(shù)：耦合關聯(lián)長度，自旋波激發(fā)過程；磁矩分布：表面－界面－體之間的相關關系；弛豫現(xiàn)象：時間尺度磁性存儲：超高密度存儲單元的信號寫入與讀??；密度、速度的極限？微器件的設計：超快過程、電磁兼容；磁矩狀態(tài)時間分辨的磁矩成像直接測量磁矩/磁化強度測量磁矩/磁化強度的磁場不只是固定頻率的交變磁場動態(tài)磁化過程的觀測“TechniquestoMeasureMagneticDomainStructures”R.J.Celotta,J.Unguris,M.H.Kelley,andD.T.PierceNationalInstituteofStandardsandTechnology,Gaithersburg,Maryland20899“SpinDynamicsinConfinedMagneticStructures”editedbyBurkardHillebrands,KamelOunadjela,B.Hillebrands,Springer-VerlagTelos;2002－2004“AdvancesinMagneticMicroscopy”M.R.FreemanandB.C.Choi,Science,Volume294,1484～1488,16November2001“Magneticmicroscopies:thenewadditions”E.DanDahlbergandRogerProksch,JournalofMagnetismandMagneticMaterials200(1999)720～728“Magnetizationdynamicsinthinfilmsandmultilayers”R.E.CamleyJournalofMagnetismandMagneticMaterials200(1999)583～597動態(tài)磁化1動態(tài)磁化過程動態(tài)磁化2磁矩－磁場－空間－時間的關系武漢市長江大橋磁矩分辨磁場分辨空間分辨時間分辨磁矩測量磁場測量顯微成像超快技術動態(tài)磁化過程武漢市長江大橋磁矩信號的動態(tài)識別在磁場作用下，空間某一位置的磁矩在一定時間內(nèi)的變化情況。武漢市長江大橋罪過磁矩成像－技術動態(tài)磁化3磁場的影響磁疇磁矩平均磁矩時間StrayFieldBitterPattern

？MFM

？SHP

？SSQ

？MFaraday

M

Kerr

M

MCDelectron？photo-secondary-low-energy-

M

MLD

M2?

PEEM

M,M2

electronLorentz

？Holography

？SEMPA

？SPLEEM

？磁矩成像－空間分辨率動態(tài)磁化4圖像（image）能夠分辨的最小空間幾何尺寸4、電子成像：5nm～20nm掃描（透射）Lorentz顯微鏡、Holography、SEMPA、PEEM（MCD、MLD）、SPLEEM3、光學成像：1/2n

波長～1/10波長（雙光子、近場光學）1、BitterPattern：取決于磁粉粒度與成像方法（光學、電子）2、雜散磁場力/磁通成像：取決于探測器本身的尺寸和位置MFM：取決于針尖；SHP(scanningHallprobe)和SSM(scanningSQUIDmicroscopy)：器件的尺寸PRL,vol.88,163901,2002.FaradayMO，KerrMO，SH－KerrMO（二次諧波MOKE）B.C.Choi,M.Belov,W.K.Hiebert,G.E.Ballentine,M.R.Freeman,Phys.Rev.Lett.86,728(2001).磁矩成像－時間分辨率動態(tài)磁化5時間分辨的特殊性spin-flip時間：10－15s？磁矩反轉(zhuǎn)（magnetizationreversal/switch）時間：ns～ps？1、超快過程：ultrafast2、超慢過程：ultraslow磁矩弛豫過程：10－9s

～104s？磁化狀態(tài)保持時間：106s～1010s？目前動態(tài)磁化過程的可用技術動態(tài)磁化6時間分辨鐵磁共振（time-resolvedferromagneticresonance）時間分辨二次諧波磁光Kerr效應（time-resolvedsecondharmonicmagneto-opticKerreffect：TR-SH-MOKE）時間分辨磁光發(fā)射電子顯微譜（time-resolvedmagneticphotoemissionelectronmicroscopy：TR-PEEM）時間分辨磁光Faraday效應（time-resolvedmagneto-opticFaradayeffect）1、可成像的檢測技術：2、不能成像的檢測技術：以上時間分辨的檢測技術；其它任何磁性測量技術：時間分辨能力、空間分辨能力成像技術的分類圖動態(tài)磁化7Near-fieldoptics:fromsubwavelengthilluminationtonanometricshadowingAaronLewis,HeshamTaha,AlinaStrinkovski,AlexandraManevitch,ArtiumKhatchatouriants,RimaDekhter&ErichAmmann1378VOLUME21NUMBER11NOVEMBER2003NATUREBIOTECHNOLOGY檢測技術與相關術語動態(tài)磁化81、遠場光學－衍射極限－近場光學

：遠場光學（Franhaufer衍射）的Rayleigh衍射極限：提高分辨率（降低衍射極限）的途徑增大數(shù)值孔徑NA；減小光波波長；近場光學；無透鏡成像（各種探針顯微鏡）NATUREBIOTECHNOLOGY

VOLUME21,1378,2003fibre動態(tài)磁化過程的檢測動態(tài)磁化92、非線性光學－和頻/二次諧波－雙光子：電極化強度P：SHG：SecondHarmonicGeneration:雙光束入射：?

1，?

2動態(tài)磁化過程的檢測動態(tài)磁化103、Pump－Probe技術：1999年諾貝爾化學獎AhmedH.ZewailZewail,makesmoviesofmolecularbirths,weddings,divorces,anddeathswithwhatthecitationcallstheworld’sfastercamera…pump-probefemtosecondlaserpump-probeprocess動態(tài)磁化過程的例子動態(tài)磁化11PhotoelectronmicroscopyandapplicationsinsurfaceandmaterialsscienceProgressinSurfaceScience70(2002)187–260S.Günther,B.Kaulich,L.Gregoratti,M.Kiskinova基于XMCD/XMLD的PEEM基于磁光Kerr效應的TR-SH-MOKEP.M.Oppeneer,2002TheoryfornonlinearmagnetoopticsinmetalsK.H.Bennemann,JournalofMagnetismandMagneticMaterials200(1999)679

705基于鐵磁共振的TR-FMRFerromagneticresonanceofultrathinmetalliclayersMichaelFarle,Rep.Prog.Phys.61(1998)755–826.關于磁與光的故事一個古老而年輕的領域（誰說的？）一個時刻都會有新故事的領域一個可以滿足研究者好奇心的領域一個有錢人才能從事的領域……THEEND磁電效應MagnetoresistanceEffectsMagnetoelectricEffectsMagnetoimpedanceEffectsHallEffects2.2磁性測量的依據(jù)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）各向異性磁致電阻效應（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）Shubnikov－deHaas效應Hall效應量子Hall效應經(jīng)典Hall效應分數(shù)Hall效應整數(shù)Hall效應借06磁場中的電輸運2、磁性測量的總體概況磁致阻抗（MI）Uz磁場－電（流）效應IxUyUxxyzB0磁場－電流橫向效應：Hall效應磁場－電流縱向效應：Thomson效應磁電效應－1Hall效應磁場傳感器Hall效應：E.H.Hall，1879年E.H.Hall,Amer.J.Math.,2(1879),287xyzIxB0LbdUHall磁電效應－2Hall系數(shù)載流子濃度n

的典型值半導體本征載流子Si1.45

1010/cm3Ge2.4

1013/cm3GaAs1.79

106/cm3CODATA2014：e=1.6021766208(98)

1019Cd＝1.0mmIx＝1.0mAGaAs本征半導體～1.0

1016/cm3載流子濃度、溫度、禁帶寬度A=1017cm

31.0eV2.0eV3.0eV4.0eVEgHall效應Halleffect反Hall效應inverseHalleffect反常Hall效應anomalousHalleffect分數(shù)量子Hall效應fractionalquantumHalleffectvonKlitzing常數(shù)：RK＝25812.807(1

0.2

10-6)

整數(shù)量子Hall效應integerquantumHalleffect量子反常Hall效應quantumanomalousHalleffect？量子自旋Hall效應quantumspinHalleffect?關于Hall效應的術語Hall效應：E.H.Hall，1879年磁電效應－3Hall效應磁場傳感器Hall效應磁場傳感器件定標：標定K調(diào)零：UResistive溫度補償已經(jīng)達到商品化EB磁電效應－4U’磁場－電流縱向效應xyzVIB0一般磁致電阻效應OMR各向異性磁致電阻效應AMR巨磁致電阻效應GMR龐磁致電阻效應CMR磁致隧道電阻效應TMR？問題：非線性響應磁場飽和磁電效應－5線圈電阻OMR、AMR的特性HRRRGMR、TMR

靈敏度、

標定、

測量范圍HMR(%)

CMR溫度穩(wěn)定性TMR(%)磁－力效應MagnetomechanicalEffect(磁－力學效應)MagnetostaticForce(靜磁力)MagneticTorsion(扭矩)關注磁－力學效應包括哪些物理現(xiàn)象？磁－力學效應可測哪些參數(shù)？磁各向異性的測量極弱磁矩信號的測量方法磁天平磁致伸縮效應2.2磁性測量的依據(jù)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(zhuǎn)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(shù)效應Wiedemann效應Einstein－deHass效應Barrett效應借082、磁性測量的總體概況磁場敏感器件2.2磁性測量的依據(jù)物理效應之五：磁－磁中子散射（衍射）磁振子相互作用磁結(jié)構(gòu)確定磁疇觀測Lorentz力雜散磁場效應磁力（MF）顯微法Bitter（粉紋）法借102、磁性測量的總體概況磁－力效應磁－力1原理（一）：梯度磁場中受力把含有磁矩m的物體放在非均勻的磁場中時，物體將受到沿磁場梯度方向的力的作用。此力的大小正比于磁場梯度和物體的磁矩。m為樣品的磁矩為沿任意軸向的磁場梯度磁矩m沿任意軸向所受的力：磁天平磁－力效應磁－力2原理（二）：均勻磁場中扭矩當具有磁各向異性的物體在磁場中轉(zhuǎn)動時，物體將受到轉(zhuǎn)矩L的作用。其大小等于磁場強度與垂直于磁場方向磁化強度分量的乘積。V為樣品的體積為與磁各向異性相關的能量轉(zhuǎn)矩與磁各向異性的關系：轉(zhuǎn)矩磁強計磁－力效應磁－力3原理（三）：磁致伸縮當磁性材料在磁場中被磁化時，材料的力學性質(zhì)發(fā)生變化的效應。也存在逆效應。這里通稱為磁致伸縮效應。可以是樣品的體積、長度、彈性模量、剛度系數(shù)，等等。磁致伸縮系數(shù)λ：磁致伸縮儀磁－力效應磁－力4原理（四）：磁矩進動Barnett效應（1915年）

當磁性圓柱體在繞其柱軸作高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生微弱的磁化強度，其大小與角速度成比例。即，旋轉(zhuǎn)致磁化效應。Einstein－deHass效應（1915年）

當自由懸掛的磁性圓柱體突然被磁化時會產(chǎn)生微弱的旋轉(zhuǎn)。即，磁化致旋轉(zhuǎn)效應。是Barnett效應的逆效應。旋磁比磁－力效應磁－力5相應的磁性測量儀器可測參數(shù)力的產(chǎn)生力的測量磁羅盤磁場方向磁場永磁體轉(zhuǎn)矩磁強計磁各向異性樣品(磁場)轉(zhuǎn)動懸絲/壓電晶體磁天平磁矩、磁場穩(wěn)恒梯度磁場靈敏天平交變梯度磁強計磁矩交變梯度磁場壓電晶體磁致伸縮測量儀伸縮系數(shù)穩(wěn)恒磁場力敏器件回旋磁效應旋磁比磁化角動量磁各向異性磁各向異性：magneticanisotropy相同磁場強度時，磁化強度的方向相關性沿不同方向磁化時，磁化曲線及達到飽和的磁場強度不同或者物理起源－本質(zhì)分類磁晶各向異性晶體對稱性內(nèi)稟