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常用磁性测量仪器（III） （共 73 页） • 磁性信号的测量仪器（III） 磁与光及相关效应 声 明 本讲稿中引用的图、表、数据全部取自 公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教 学使用，任何人不得用于商业目的。 参考读物 1. 关于偏振、透射、反射、散射、吸收（《电动力学》） 2. “Magneto-optical effects”, P. S. Pershan, J. Appl. Phys., 38, 1482-1490 (1967). 3. 《计量测试技术手册》第7卷《电磁学》，中国计量出版社， 1996 4. 《磁性测量》，周世昌 编，电子工业出版社，1994 5. 《拉曼 布里渊散射》，程光熙 著，科学出版社，2001 6. “Magnetic dichroism in core-level photoemission”, K. Starke, Springer-Verlag, 2000 7. “X-ray scattering and absorption by magnetic materials”, S.W. Lovesey, S.P. Collins, Oxford U. Press, 1996 参考读物 8. “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures I (Topics in Applied Physics, 83)”, by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, B. Hillebrands, $159.00, 388 pages, Springer-Verlag Telos; (January 1, 2002), ISBN: 3540411917 9. “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures II (Topics in Applied Physics, 87)”, by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, $189.00, 440 pages, Springer-Verlag; (March 18, 2003), ISBN: 3540440844 10. “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures III”, by Burkard Hillebrands (Editor), Andre Thiaville (Editor), $225.00, 350 pages, Springer-Verlag; (September 15, 2004), ISBN: 3540201084 参考读物 11. “Group Theory in Spectroscopy with applications to Magnetic Circular Dichroism”, by Susan B. Piepho, Paul N. Schatz, Wiley-Interscience Monographs in Chemical Physics, Sean P. McGlynn , Editor, (1983). John Wiley & Sons, Inc., ISBN: 0471-03302-2 12. “Inelastic Scattering of X-Rays with Very High Energy Resolution”, by Eberhard Burkel, Springer Tracts in Modern Physics, Volume 125, Springer-Verlag; (1991), ISBN: 3-54054418-6 光是什么？ • 会意。甲骨文字形, “从火, 在人上”。 • 本义: 光芒, 光亮 • 《说文》：光, 明也。 Light？ Optic？ Photo？ 物理：光是能量的一种形式 光的表征：波长、频率；强度；速度；相位；偏振； 光与介质 • • • • 光的产生（光辐射）：量子力学的发源 光的干涉与衍射：波的特性 光的吸收、散射与色散：物理性质的研究 光致辐射：光电效应 散射 反射 折射 双折射 吸收 色散 光电效应 磁场 磁性介质 磁场、磁性介质对光的影响 • 对光辐射的影响 能级劈裂：Zeeman效应 • 对光的偏振状态的影响 透射：Faraday效应、Voigt效应、Cotton－Mouton效应 反射：磁光Kerr效应 • 对光的吸收的影响 磁二色性：磁圆二色谱（MCD）、磁线二色谱（MLD） • 对光的散射的影响 磁致非弹性光散射：Brillouin散射 • 对光的强度的影响 线偏振光的反射：s光、p光 磁场、磁性介质对光的影响 • 发现历史 1845年，M. Faraday发现光平行磁场透过玻璃时偏振面旋转 1876年，J. C. Kerr发现光从磁性介质表面反射时偏振面旋转 1896年，P. Zeeman发现磁场导致发光光谱的劈裂 1902年，Voigt发现光垂直于磁场在气体中传播时发生双折射 1907年，Cotton和Mouton发现了液体的Voigt效应 1914年－1922年，L. Brillouin预言声波调制的非弹性光散射 1975年， J. L. Erskine理论计算金属镍的M2,3磁－光吸收谱 1985年， B. T. Thole理论计算稀土金属的M4,5磁二色谱 1987年， G. Schütz测量了铁的磁圆二色谱 1992年， B. T. Thole提出磁二色谱的sum rules 磁光1 磁与光及相关效应 磁－光效应的种类 效应名称 光路/模式 Faraday效应 Cotton-Mouton效应 （Voigt效应） 磁双折射效应 磁圆振 磁线振 二向色性 透射 吸收 横向 纵向 Kerr效应 反射 极向 入射光 出射光 平行于M 线偏振 偏振面旋转 垂直于M 线偏振 椭圆偏振 平行于M 线偏振 椭圆偏振 垂直于M 线偏振 椭圆偏振 M垂直于表面 线偏振 椭圆偏振 M平行表面及入射面 线偏振 椭圆偏振 M平行表面垂直入射面 线偏振 椭圆偏振 Zeeman效应 发光 磁场中光源反射的光谱发生劈裂 磁致激发光散射 Raman散射 磁振子－光子散射（Brillouin散射） 磁光效应的物理来源 • 经典（电动力学）理论 1 iQ 0 n 2 iQ 1 0 0 0 1 磁场使得介电张量矩阵变为非对称矩阵 n n ' in '' it plane-wave: e ik ( H ) ki ( H ) Q Q ' iQ '' 磁光效应来源于非对角矩阵元：旋光性 磁场的作用：时间反演对称性破缺 • 量子理论－材料的电子结构和电子波函数 跃迁定则：角动量守恒 自旋－轨道耦合，磁场能：Zeeman能 所需基础知识 1. 电磁波的产生与检测 2. 电磁波与物质的相互作用： E a. 光的偏振，波的合成 b. 电动力学（Maxwell方程） c. 量子力学、散射截面 S H d. 电磁波在（磁性）介质中的传播模式 e. 电磁波在物质表面的反射 f. 电磁波的散射、吸收与发射 光的能量范 围与磁效应 100 km 10 km 1 km 100 m 10 m 1m 10 cm 磁共振 1 cm－1— 1 cm 10 cm－1— 1 mm 100 cm－1— 100 m VLF LF MF HF 10 kHz 无 线 电 1 MHz 10 MHz 100 MHz UHF 1 GHz SHF 微波 EHF 10 GHz 远红外线 100 nm 紫外线 可 见 光 RF 100 GHz — 1 K — 10 K 1 THz 10 THz 红外线 — 100 K 100 THz — 103 K 1015 Hz — 104 K — 0.001 eV — 0.01 eV — 0.1 eV — 1 eV — 10 eV 10 nm 1016 Hz — 105 K — 100 eV 1 nm 1017 Hz — 106 K — 1 keV nm 1018 Hz — 107 K — 10 keV nm 1019 Hz — 108 K — 100 keV 1020 Hz — 109 K — 1 MeV 10-1 磁共振 100 kHz VHF 1000 cm－1— 10 m 10 000 cm－1— 1 m 磁与光 及其 相关效应 电子 预备1 1 kHz 10-2 10-3 nm X-射线 射线 磁与光、光与磁 一、磁场（或者磁矩）对光的作用 各种磁－光效应：偏振，吸收，散射，能级 自旋－轨道耦合 ＋ Zeeman劈裂 M H 强度、偏振、方向、频率、相位 二、光对介质磁性能的作用 光辐照效应：矫顽力、磁导率、磁各向异性，铁磁共振 电子的能级移动 磁与光及相关效应 磁光法拉第效应 磁光克尔效应 布里渊散射 磁二色谱 动态磁化过程的观测 http://www.wordiq.com/definition/Faraday_effect 磁光Faraday效应 Magnetic Optical Faraday Effect (MOFE) 1845年，M. Faraday Faraday M., Phil. Trans. Roy. Soc. 136,1(1846) 所有介质 法拉第效应1 磁光Faraday效应 1 E E0 ei t 2 1 i ( t n' l / c ) E E0 e 2 n' n0' n ' n ' n1 i n2 左旋圆偏振光 n1 入射光 出射光 M 线偏振光 椭圆偏振光 l0 Ex E0 Re eit E y Ez 0 1 E0 e i t 2 E ' 1 E0 e i ( t nl / c ) 2 , n2 c n0' l Ex Ex 0 cos (t 1 ) c n0' l E y E y 0 cos (t 2 ) c Ez 0 tan 2 右旋圆偏振光 E c 2 Ex 0 E y 0 E E 2 x0 1 2 2 y0 cos 法拉第效应2 磁光Faraday效应 Faraday旋转角F：（l0为样品厚度） F V l0 B F K l0 M F z0 2c Re(n n ) 2c z0 B V：Verdet constant，非磁性介质 K：Kundt constant，磁性介质 O/E 线偏振 M 椭圆偏振 l0 V: °/(cm·T) K: Hg: 435.8 nm Na: 588.9 nm 830 nm 石英玻璃 4.35 2.39 苯 9.25 5.06 光电转换 YIG 3.4 法拉第效应3 磁光Faraday效应 磁光Faraday效应的应用 F V l0 B F K l0 M 1. 磁光隔离器（透射型，如YIG） 2. 磁场强度测量（非磁性介质） 3. 磁光存储器读头（read） 4. 磁化行为测量（磁性介质） 5. 磁畴结构观测（透光） 6. 动态磁化过程 磁光Kerr效应 Magnetic Optical Kerr Effect (MOKE) 1876年，Reverend J. C. Kerr Kerr J. C., J. Rep. Brit. Assoc. 5, (1876) 所有介质 磁光Kerr效应 克尔效应1 磁光Kerr效应的原理 线偏振光频电磁波在磁化强度为 M 的介质表面反射时， 反射光一般是椭圆偏振光，同时偏振面发生旋转，旋转 角度 αKerr 正比于介质的磁化强度 M。 其物理过程可由Fresnel光反射公式描述。 E θr θt θi r i Enormal r11 r12 Enormal r i E parallel r21 r22 E parallel 如果 M＝0，r12＝r21＝0， 即，一般Fresnel公式 ' n ' 1 r ' n 1 光在磁性介质表面的反射 磁化强度－入射面－反射面 Er E0 Er E0 M reflection + transmission Er E0 M M 极向Kerr效应 Kk M 纵向Kerr效应 横向Kerr效应 Kk M 0 非垂直入射 反射率与M相关 磁光Kerr效应 克尔效应2 http://www.qub.ac.uk/mp/con/magnetics_group/MOlooper.html K KK M I I 0 RP , S 4 BJ 1 k sin t I 2 I 0 RP , S 4 BJ 2 k sin 2 t 克尔效应3 磁光Kerr效应 磁光Kerr效应的应用 K KK M 1. 磁化行为测量（纵向、极向） 2. 磁畴结构观测（in situ）：SMOKE 3. 动态磁化过程 4. 磁光存储器读头（read） 5. 磁光隔离器（反射型） 6. 磁场强度测量 SHG Second Harmonic Generation 克尔效应4 磁光Kerr效应 利用磁光Kerr效应测量各向异性 K KK M M s r k ROT-SMOKE p 复旦大学 关于磁光Faraday效应与Kerr效应的补充 1、物理来源：自旋－轨道耦合 Lorentz force Theory of the Faraday and Kerr effects in ferromagnetics, Petros N. Argyres, Phys. Rev., 97(2) (1955) 334-345 非磁性介质：Zeeman效应；磁性介质：自旋－轨道耦合 Faraday磁光效应与Kerr磁光效应： 只考虑自旋－轨道耦合的一级近似，转角 ～ <M> Voigt磁光效应或者Cotton－Mouton磁光效应： 需考虑自旋－轨道耦合的二级近似，转角 ～ <M2> 2、反铁磁磁畴观测：SHG second harmonic generation: 转角 ～ <M2> Brillouin散射谱 Brillouin Scattering 1912年 ～ 1922年，L. Brillouin Brillouin L., Compt. Rend., 158, 1331 (1914) Brillouin L., Ann. Phys. (paris), 17, 88 (1922) 所有介质 光的散射 光散射1 理想透射、弹性散射、非弹性散射 理想的光透射情况：均匀介质（无任何起伏），无能量交换 的过程。光波沿原方向传播。实际上，几乎找不到与之相对 应的真实过程。 弹性散射的光透射情况：介质中存在与时间无关的某种起伏， 使得光波偏离原方向，但是频率不发生变化。如Rayleigh散 射、廷德尔散射和米氏散射。不检测能量变化。 非弹性散射的光透射情况：介质中存在随时间变化的不均匀 性，导致光波偏离原方向，而且频率发生变化（频移）。如 Raman散射和Brillouin散射。检测能量变化。 非弹性光散射 光散射2 Raman散射（C. V. Raman，1928） Stokes定则：（G. Stokes，1852年） 入射光频率为：I， 出射光频率为S ： I； I － ；I ＋ ，：Raman位移 S ＝ I：Rayleigh散射；出射光频率等于入射光频率。 S＝I－：Stokes散射；出射光频率低于入射光频率。 S＝I＋ ：反Stokes散射；出射光频率高于入射光频率。 一级Raman散射 （普通Raman散射） 超Raman散射 I ± （双光子散射） 2I ± （三光子散射） 非弹性光散射 光散射3 Brillouin散射与Raman散射 Raman散射：（C. V. Raman，1928年，CCl4液体） Brillouin散射：（L. Brillouin，1912年～1922年，预言） （E. Gross，1930年，证实） 设入射光在偏振，在方向观测散射光，电子极化率 (0) Rayleigh散射 1 ,q Qq ,qq ' QqQq ' 2 q Brillouin散射：声学声子或者磁振子； Raman散射：所有种类的元激发 布里渊散射1 Brillouin散射谱 Brillouin关于光散射的预言 介质中声波引起的密度涨落以声速在介质中传播，相当于位 相光栅，从而引起入射光的Bragg衍射，衍射光的频率产生 Doppler位移B，位于入射光频率（Rayleigh散射）的两侧 的1.0 cm－1范围内。对于液体，为声波角频率，对于固体， 为声学声子TA和LA频率或者磁振子频率。 EL EL 0 exp[i(t kL r )] 反射光 kS ES ES 0 exp[i(t kS r )] kL 入射光 kS q k L q 声波、玻色子（声学声子、磁振子） q 4 n 0 sin 2 Brillouin散射谱 布里渊散射2 Brillouin散射谱的测量 Rayleigh P( S ) d N l0 P( L ) d cm-1 10-5 10-4 多通Fabry－Perot干涉仪（FPI） Brillouin 位置可调 A 2 A02 L 4 1 sin 2 2 (1 ) 2 4 nL cos L m 2 位置固定 4 对比度：(1 )2 自由光谱区 c 2nL cos 0.5 cm-1 1.0 Raman cm-1 500 1000 Brillouin散射谱 布里渊散射3 仪器设备 框 图 多通FPI Brillouin散射谱仪 Inelastic light scattering in magnetic dots and wires Sergey O. Demokritov*, Burkard Hillebrands Journal of Magnetism and Magnetic Materials 200 (1999) 706－719 布里渊散射4 Brillouin散射谱 Brillouin散射谱的应用 1. 声速的测量 声学声子 2 m Veff q m d 2. 声学声子模式 3. 自旋波激发 磁振子 m (k ) g B B0 Dk 2 4. 饱和磁化强度 5. Landé因子测量 6. 表面各向异性 g B 0 M 0 6 表面磁振子 1 S (k ) 0 ( 0 m )sin 2 sin 0 B0 m B h 1975，1985，1986，1987，1990，1992，1993，… 磁二色谱 Bernard Theodoor Thole (1950.4.1-1996.7.4) “I have never seen such an excellent piece of work, so poorly written up” X－ray Magnetic Circular/Linear Dichroism (XMCD/XMLD) synchrotron light 磁二色谱研究的起源 磁二色谱1 起源一：磁性起源的局域模型与巡游模型之争 W. Heisenberg, Z. Phys., 49 (1928) 619 E. C. Stoner, Proc. Roy. Soc. Lond., A165 (1938) 372 T. Moriya, et. al., J. Phys. Soc. Japan, 34 (1973) 639 起源二：X－射线磁光效应的研究 Faraday MOE, Kerr MOE, Voigt MOE 起源三：X－射线吸收谱的精细结构 XAS: x-ray absorption spectroscopy EXAFS: extended x-ray absorption fine structure NEXAFS: near-edge x-ray absorption fine structure XANES: x-ray absorption near edge structure 磁二向色性 磁二色谱2 磁性材料对不同极化（偏振）光的吸收不同 Calculation of the M23 magneto-optical absorption spectrum of ferromagnetic nickel J. L. Erskine and E. A. Stern, Phys. Rev. B 12, (1975) 5016 Strong magnetic dichroism predicted in M4,5 X-ray absorption spectra of magnetic rare-earth materials B. T. Thole, G. van der Laan, and G. A. Sawatzky, Phys. Rev. Lett. 55 (1985) 2086. Experimental proof of magnetic x-ray dichroism G. van der Laan, B. T. Thole, G. A/ Sawatzky, J. B. Goedkoop, J. C. Fuggle, J. M. Esteva, R. Karnatak, J. P. Remeika, and H. A. Dabkowska, Phys. Rev. B. 34(9) (1986) 6529. Absorption of circularly polarized X rays in iron G. Schütz, W. Wagner, W. Wilhelm, P. Kienle, R. Zeller, R. Frahm, G. Materlik, Phys. Rev. Lett. 58 (1987) 737. X-ray circular dichroism as a probe of orbital magnetization B.T. Thole, P. Carra, F. Sette, G. van der Laan, Phys. Rev. Lett., 68 (1992) 1943. X-ray magnetic dichroism of antiferromagnet Fe2O3: the orientation of magnetic moments observed by Fe 2p X-ray absorption spectroscopy P. Kuiper, B. G. Searle, P. Rudolf, L. H. Tjeng, and C. T. Chen, Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 1549. 磁二色谱3 磁二色谱 磁性材料对光的吸收与磁性电子（价带）的自旋极化有关。 3dTM元素的L 4f 2, 3（2p3d）、 RE稀土元素的M4, 5 （3d4f） 二色谱：不同磁化方向（或者两种偏振光）的吸收谱之差 磁圆二色谱：(XMCD: magnetic circular dichroism) ～M 磁线二色谱：(XMLD: magnetic linear dichroism) ～M2 《Magnetic dichroism in core-level photoemission》 K. Starke，Berlin，Springer-Verlag，2000 4f_XMCD 3d_XMCD 磁二色谱的产生条件 磁二色谱4 1、样品对于光有吸收： 磁光Faraday效应、磁光Kerr效应：无吸收 ？ 2、样品本身具有交换相互作用： 铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性，等等 MDPE: Magnetic Dichroism PhotoEmission 3、对于入射光的偏振状态没有特别要求： 圆偏振光：样品磁化强度在光传播方向的分量不为零 线偏振光：p－极化分量、非垂直入射 ～ 磁光Kerr效应 非偏振光：p－极化分量、非垂直入射 ～ 磁光Kerr效应 MDPE can exist, if there is no space-symmetry operation which reverses the magnetization only but leaves the system unchanged otherwise. 磁二色谱5 光的偏振与磁二色谱 1、光偏振的定义方法：光沿 z 方向传播 圆偏振用旋转方向 q 表示： 物理 LCP：左圆偏振光 ＋ RCP：右圆偏振光 － 线偏振用电矢量 E 表示： p－光：平行于入射面 s－光：垂直于入射面 RCP z LCP RCP LCP E 2、磁二色谱的表示方法： MCD：吸收峰强度：A，AAL－AR 吸收系数：k，k kL－kR MLD：椭圆度：[]M k p s photoelectron photocurrent 化学 磁二色谱6 磁二色谱 据说 元素分辨： 原子芯电子能级 原子身份证 原子序数Z 原子量A 原子光谱 原子能级 光吸收谱 特征谱线 磁矩（自旋、轨道）分辨、各向异性： 1. 2. 3. 4. 自旋－轨道耦合； 交换劈裂； 自旋极化相关吸收；？ 磁二色（XMD）谱－磁矩 ？ 量子力学 磁二色谱的理论处理 磁二色谱7 Fermi’s Golden Rule：跃迁几率 JM J ' M ' 平面波 A0 e i ( kr t ) 跃迁几率 A0 e i t i f 2 f J ' M ' H int iJM 1 2 1 ikr (ikr) 2 here, H int 2 ( E f ) ( E f Ei ) e e2 A A2 2 2mc i 2mc Wigner－Eckart Theorem：角动量耦合 考虑偏振q： qi f J J' P J M 2 2 J' 0 q M ' 1 qM M' q＝0，线偏振，～ <M2>；q=±1，圆偏振，～ <M> Sum Rules：从吸收谱计算自旋和轨道的分量 spin: [ A 2 B] C B (ms mD ) A：L3强度，B：L2强度 orbital moment: [ A B] 3C mo 2 B charge: [I L3 I L2 ] C( N Nq ) 磁二色谱8 预备知识 偏振态相关的吸收几率 MCD：J＝－mj MLD：J＝0，1 J＝ 0，±1； mj＝0， ±1 J (2 J ' 1) M J ' J 1 J' J 0 J ' J 1 1 q J' M ' 2( J 1)(2 J 1) ( J 1)( J 2) (2 J 3) M M 2 2 J (2 J 1) J ( J 1) M M 2 2 J 1, J 1 ( J 1)(2 J 1) ( J 1) 2 M 2 J ( J 1) M2 2 J (2 J 1) J ( J 1) (2 J 1) M M 2 J (2 J 1) J2 M2 q m j 1 q m j 0 J, J J 1, J J 1, J 1 J, J 1 J 1, J 1 J ', m ' j 1 1 m j 1 ( J 1) 1 ( J 1) J m j 0 (2 J 1) (2 J 1) ( J 1) 1 ( J 1)(2 J 1) 1 M (2 J ' 1) J q M ' 1 J' m j 1 2 磁二色谱9 磁二色谱 缩小范围 磁性元素－磁性壳层－磁性电子 3d 过渡族元素：Fe, Co, Ni 4f 稀土元素：Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb,Lu 可利用的吸收限： 吸收限 3d 过渡族元素： 4f 稀土元素： 特征谱线 K系 L系 M系 1s3d 2s3d 2p3d 3p3d 3d4f 芯电子能级未占据能级：l＝l’－l＝ ± 1 N系 4f 5g 预备知识 磁二色谱10 X－射线产生、散射、吸收 能级跃迁几率与选择定则（selection rules） 自旋－轨道耦合 X－射线吸收谱（XAS: x-ray absorption spectroscopy） 光电子能谱（PES: photoelectron spectroscopy） 光电子显微谱（PEM: photoelectron microscopy） 光发射电子显微谱（PEEM: photoemission electron microscopy） 磁二色谱11 预备知识 X－射线的产生与吸收 元素分辨 连续光 Moseley定律 O 1 1 R ( Z ) 2 2 nK nL c L L K2 K K1 I K 电子能级 n M L N 2 K K K XRD XMCD/XMLD X－射线与同步辐射光 磁二色谱12 X－射线 1895: Röntgen：发现X射线 1913: Moseley：X－射线谱、Moseley定律 同步辐射光（Synchrotron light） 1944：苏联Ivanenko和Pomeranchuk理论计算 1947：通用电气Blewett和Haber首次发现可见光波段的同步辐射， 70－MeV 1960s：NIST第一代（parasitic）同步辐射光源SURF 180－MeV 1970s：英国Daresbury第二代（dedicated）同步辐射光源SRS 5－GeV 1980s－1990s：第三代（optimized for brightness）同步辐射光源： SSRL、ESRF、NSLS 1995：第四代（free- electron laser）同步辐射光源 ？ LCP E RCP E 预备知识 磁二色谱13 能级跃迁几率与选择定则 n＝1， 2， 3， 4， K，L，M，N， 原子能级 n2s+1lj 光谱项符号 n2S+1LJ l＝0，1，2，3，n－1 s，p，d，f， n, l n, l, ml L＝0，1，2，3，n－1 S，P，D，F， n, l, ml , ms l=0, 1, 2, 3, …, n-1, ml＝l, l-1, …, 0, …, -l+1, -l 电子态表示： n, l , j , m j , ms n, l , j , m j j＝ l ± 1/2 mj＝j, j-1, …, -j+1, -j 磁二色谱14 预备知识 1 n, l , j, m j , ms 2 电子在原子中的标识： 1 1 j l , l 2 2 n l 3 (M) 1 (p) 芯能级（core level） 2 (d) 价带（valence band） ml 1 0 -1 1 0 -1 2 1 0 -1 -2 2 1 0 -1 -2 ms ½ ½ ½ -½ -½ -½ ½ ½ ½ ½ ½ -½ -½ -½ -½ -½ mj 3/2 1/2 -1/2 1/2 -1/2 -3/2 5/2 3/2 1/2 3/2 ½ -1/2 -3/2 -5/2 -1/2 -3/2 l － 1/2 2p1/2 l － 1/2 3d3/2 l － 1/2 2p3/2 l ＋ 1/2 3d5/2 j 磁二色谱15 预备知识 (j, mj)与(l, ml, ms)的关系 j＝l＋s, l－s s＝1/2 采用(j, mj)可以 完全表示电子的能 态（包括自旋取向 及角动量）。 j=3/2 J＝ 0，±1； mj＝0， ±1 j=1/2 2 1 2 1 3 3 0 1 1 2 2 1 2 1 3 3 1 0 2 1 2 3 2 3 2 3 2 1 2 3 2 3 j 2 1 2 3 mj 1 3 3 0 1 2 1 3 3 1 0 1 2 ml , ms 磁二色谱16 预备知识 能级跃迁几率与选择定则 电子的能态（能量和位置）： 能级跃迁（辐射或者吸收）： z, n, l , j, m j , n 2S+1 1 2 LJ n ' 2S'+1 L 'J' n＝n’－n＝整数（包括零）； L＝L’－L＝±1； S＝S’－S＝0； J＝J’－J＝0，±1；禁闭J＝0J’＝ 5. 0 mj＝ 0，±1；电偶极跃迁 6. ms＝0，NMR除外 可能跃迁的选择定则： 1. 2. 3. 4. Fermi's Golden rule: i j 2 f H int i 2 ( E f ) ( E f Ei ) 磁二色谱17 预备知识 能级跃迁几率与选择定则 n ', l ', m ' n, l, m 光子电磁场矢势： A0 ei (kr t ) A0 eit 1 ikr 1 (ikr)2 2 电偶极矩跃迁选择定则 l l ' l 1 Em D Ek 0 m m ' m 0, 1 电四极矩跃迁选择定则 l l ' l 0, 2 Em (Q) Ek 0 m m ' m 0, 1, 2 磁偶极矩跃迁选择定则 l l ' l 0, and l , l ' 0 Em M Ek 0 m m ' m 0, 1, 2 磁二色谱18 预备知识 偶极选择定则允许的跃迁（吸收） 1/2 , 2 p3/2 2 p 2p3d： 3d3/2 , 3d5/2 n＝1；L＝+1；S＝0；J＝0，±1；mj＝ 0，±1； ms＝ 0 3d3/2 3d5/2 mj 3 2 12 12 3 2 5 2 3 2 12 12 3 2 5 2 m m 0－1 +1 j＝ j＝ mj 12 12 2 p1/2 3 2 12 12 3 2 2 p3/2 ？ 预备知识 磁二色谱19 spin flip ? 自旋极化相关的X－射线吸收 线偏振： L＝±1；S＝0；J＝0，±1；mj＝ 0； ms＝ 0 圆偏振： L＝±1；S＝0；J＝0，±1；mj＝ ±1； ms ＝0 左旋圆偏振光：mj＝ ＋ 1；右旋圆偏振光：mj＝ － 1； M k x z y 右：＋ħ M k mj＝0 mj＝+1 mj＝－1 2 p3/2 ？ 2 p1/2 chirality 左：－ħ L3 L2 预备知识 磁二色谱20 能带模型： ms 2 SZ B / (electron electron )B (hole hole )B 自旋磁矩： mo LZ B / 轨道磁矩： m m s 右：＋ħ 2 p3/2 2 p1/2 o L Z 2 S Z 左：－ħ L3 L2 B / “spin-up” and “spin-down” are defined relative to the photon helicity or photon spin, which is parallel (right) or antiparallel (left) to the X-ray propagation direction. 《Feynman 物 理 学 讲 义 》 1964 磁性电子－交换劈裂：磁矩 芯电子自旋－轨道耦合 入射光：偏振（角动量） 磁二色谱21 预备知识 自旋极化探测器－磁性电子－磁矩 J , mJ J 温度T＝0 K时, 基态为 J 温度T 0 K时, 能态具有Boltzmann分布 MCD MLD J kBT g J B M mj Z mj j J M m e j JB ( y), Z= e j ; BJ ( y) : Brillouin function, m x m x 1 J' P J M 线偏振光： gJ J B J , mJ ; mJ J , J 1,..., J 1, J 温度T 0 K时, 各态为 圆偏振光： mJ J kBT J M 1 1 kB T 0 J kBT J' M 1 2 J M kBT g J B M kB T kBT 1 1 0 J' M 1 mj Z mj 2 j m emj x J ( J 1) M coth x , Z= emj x ; 1 2 M2 AJJ ' 2 Z J 1 Z m j M kB T 1 0 kB T 2 kBT kBT y=xJ 0 J B g J H M kB T MCD 0 AFM kBT x 0 J B g H 2 J ' mj x e M kT B M2 kB T AFM 磁二色谱 Au/Co/Au J. Stöhr, JMMM, vol. 200, 470-497, (1999) 磁二色谱22 磁二色谱的应用 磁二色谱23 可以测量的参数（同步辐射光源）： 自旋磁矩 轨道磁矩（B. T. Thole） 磁晶各向异性（P. Bruno） 磁畴观测（PEEM） 动态磁化过程（超快过程） 动态磁化过程的观测 Magnetization Dynamics Spin Dynamics Ultrafast Spectroscopy t1 t2 t3 t4 t5 t 研究动态磁化过程的意义 Pure Magnetics 动态磁化0 不只是固定频率的交变磁场 磁化机制：验证磁化、反磁化过程的各种模型； 各种参数：耦合关联长度，自旋波激发过程； 磁矩分布：表面－界面－体之间的相关关系； 弛豫现象：时间尺度 Applied Magnetics 磁性存储：超高密度存储单元的信号写入与读取； 密度、速度的极限？ 微器件的设计：超快过程、电磁兼容；磁矩状态 时间分辨的磁矩成像 直接测量磁矩/磁化强度 测量磁矩/磁化强度的磁场 动态磁化过程的观测 动态磁化1 “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures” edited by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, B. Hillebrands, Springer-Verlag Telos; 2002－2004 “Advances in Magnetic Microscopy” M. R. Freeman and B. C. Choi, Science, Volume 294, 1484-1488, 16 November 2001 “Magnetization dynamics in thin films and multilayers” R.E. Camley Journal of Magnetism and Magnetic Materials 200 (1999) 583}597 “Magnetic microscopies: the new additions” E. Dan Dahlberg and Roger Proksch, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 200 (1999) 720}728 “Techniques to Measure Magnetic Domain Structures” R. J. Celotta, J. Unguris, M. H. Kelley, and D. T. Pierce National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland 20899 动态磁化过程 动态磁化2 在磁场作用下，空间某一位置的磁矩在一定时间内的变化情况。 磁矩－磁场－空间－时间的关系 磁矩分辨 磁场分辨 空间分辨 时间分辨 磁矩测量 磁场测量 显微成像 超快技术 武汉市长江大桥 动态磁化过程 武汉市长江大桥 磁矩信号的动态识别 武汉市长江大桥 动态磁化3 磁矩成像－技术 Stray Field M 磁场的影响 磁畴 磁矩 平均磁矩 时间 Bitter Pattern ？ MFM ？ SHP ？ SSQ ？ Faraday M Kerr M M M2 ? M, M2 ？ ？ SEMPA ？ SPLEEM ？ MCD MLD PEEM Lorentz electron Holography electron ？ photosecondarylow-energy- 磁矩成像－空间分辨率 动态磁化4 图像（image）能够分辨的最小空间几何尺寸 1、Bitter Pattern：取决于磁粉粒度与成像方法（光学、电子） 2、杂散磁场力/磁通成像：取决于探测器本身的尺寸和位置 MFM： 取 决 于 针 尖 ； SHP (scanning Hall probe) 和 SSM (scanning SQUID microscopy)：器件的尺寸 3、光学成像：1/2n 波长 ～ 1/10 波长（双光子、近场光学） Faraday MO，Kerr MO，SH－Kerr MO（二次谐波MOKE） 4、电子成像：5 nm ～ 20 nm PRL, vol. 88, 163901, 2002. 扫描（透射）Lorentz显微镜、Holography、SEMPA、 PEEM（MCD、MLD）、SPLEEM 磁矩成像－时间分辨率 动态磁化5 时间分辨的特殊性 1、超快过程：ultrafast spin-flip时间：10－15 s ？ 磁矩反转（magnetization reversal/switch）时间：ns～ps？ 2、超慢过程：ultraslow 磁矩弛豫过程： 10－9 s ～ 104 s ？ 磁化状态保持时间： 106 s～ 107 s ？ B. C. Choi, M. Belov, W. K. Hiebert, G. E. Ballentine, M. R. Freeman, Phys. Rev. Lett. 86, 728 (2001). 目前动态磁化过程的可用技术 动态磁化6 1、可成像的检测技术： 时间分辨铁磁共振（time-resolved ferromagnetic resonance） 时间分辨二次谐波磁光Kerr效应（time-resolved second harmonic magneto-optic Kerr effect：TR-SH-MOKE） 时间分辨磁光发射电子显微谱（time-resolved magnetic photoemission electron microscopy：TR-PEEM） 时间分辨磁光Faraday效应（time-resolved magneto-optic Faraday effect） 2、不能成像的检测技术： 以上时间分辨的检测技术； 其它任何磁性测量技术：时间分辨能力、空间分辨能力 成像技术的分类图 动态磁化7 Near-field optics: from subwavelength illumination to nanometric shadowing Aaron Lewis, Hesham Taha, Alina Strinkovski, Alexandra Manevitch, Artium Khatchatouriants, Rima Dekhter & Erich Ammann 检测技术与相关术语 1、远场光学－衍射极限－近场光学 ： 动态磁化8 fibre 远场光学（Franhaufer衍射）的Rayleigh衍射极限： d 0.61 , NA: numerical aperture NA 提高分辨率（降低衍射极限）的途径 a. 增大数值孔径NA； b. 减小光波波长； c. 近场光学； d. 无透镜成像 （各种探针显微镜） NATURE BIOTECHNOLOGY VOLUME 21, 1378, 2003 动态磁化过程的检测 动态磁化9 2、 非线性光学－和频/二次谐波－双光子： P P (r , t ) P(0) E 电极化强度P： 1 2 P E 2! , E E 0 3 P 1 E E 3! , , E E E 0 SHG：Second Harmonic Generation: Pi (2 ) ijk(2 ) E j Ek 双光束入射：ħ1， ħ2 E E E 0 动态磁化10 动态磁化过程的检测 3、 Pump－Probe技术： 1999年诺贝尔化学奖Ahmed H. Zewail Zewail, makes movies of molecular births, weddings, divorces, and deaths with what the citation calls the world’s faster camera… pump-probe process pump-probe femto second laser 动态磁化过程的例子 动态磁化11 基于XMCD/XMLD的PEEM Photoelectron microscopy and applications in surface and materials science Progress in Surface Science 70 (2002)187 –260 S. Günther , B. Kaulich, L. Gregoratti, M. Kiskinova 基于磁光Kerr效应的TR-SH-MOKE P. M. Oppeneer, 2002 Theory for nonlinear magnetooptics in metals K.H. Bennemann, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 200 (1999) 679}705 基于铁磁共振的TR-FMR Ferromagnetic resonance of ultrathin metallic layers Michael Farle, Rep. Prog. Phys. 61 (1998) 755–826. 关于磁与光的故事 • 一个 古老 而 年轻的领域（谁说的？） • 一个 时刻都会 有新故事的领域 • 一个 可以满足 研究者好奇心的领域 • 一个 有钱人 才能从事的领域 • …… THE END