X射线磁圆二色课件

1、X射线磁圆二色Outline一些基本概念磁圆二色原理求和规则应用铁磁性物质具有铁磁性的基本条件：物质中的原子有磁矩；原子磁矩之间有相互作用。自旋取向自旋向上自旋同向，本征值为1自旋向下自旋反向，本征值为0由于交换相互作用，对于铁磁性材料，自旋同向能量降低，自旋反向能量升高。铁磁性一般采用能带方法分析铁磁材料的电子分布。实验测得金属Fe ,Co ,Ni的原子磁矩分别为2.2B,1.7B和0.6B。为什么是非整数？ 能带模型考虑交换作用后3d过渡族能带中的电子分布同步光源偏振性 轨道平面上下的偏振光手性相反X射线吸收X射线吸收方法是获得XMCD的一个手段。吸收截面：对于左旋圆偏振光（负号是因为偏振

2、定义是以样品为视点，逆着光线传播方向z轴）右旋圆偏振光磁圆二色磁圆二色谱是从X射线吸收谱导出来的一种谱（本部分只讨论X射线吸收磁圆二色）；对于铁磁性材料，原子的3d 能带由于自旋向上和自旋向下的电子数不等，根据电偶极跃迁选择定则，导致了材料对左右旋圆偏振光的吸收系数不相等，这就是磁圆二色。磁圆二色的优点元素可分辨的；可以通过求和规则分别得到轨道磁矩和自旋磁矩；灵敏度高，所需样品可以很少（荧光法）。磁圆二色从量子力学的角度，左旋，光子自旋+，对应的偶极跃迁右旋，光子自旋，对应的偶极跃迁跃迁规则：角动量守恒交换相互作用导致铁磁材料自旋向上和自旋向下电子分布不均衡。磁圆二色定义磁圆二色吸收截面：也就

3、是左右旋圆偏振光吸收截面之差。物理上 ，即同时改变偏振手性和磁场方向，吸收截面不变。所以实验上可以采用改变偏振性和磁场方向两种方法获得XMCD。不过，对于磁滞效应的TbNi2O3等，不应该通过改变磁场方向的方法。（测磁滞曲线另当别论）电四极跃迁电偶极跃迁，是一级近似的结果。再深入就是电四极跃迁。对于稀土金属的L2,3边MCD谱，电四极跃迁有时是不可忽视的。实验谱并不都是电偶极跃迁的贡献，还包括有电四极跃迁，只是一般都比较小。以下我们重点讨论偶极跃迁的情况，对于电四极跃迁的影响也将提到。在电四极跃迁较强的情况下，实验本身不能分开两种跃迁，而理论对于四极跃迁的结果也相当复杂。选择定则电偶极矩跃迁选

4、择定则电四极矩跃迁选择定则磁偶极矩跃迁选择定则光子电磁场矢势：一级近似二级近似多重谱线理论以Yb3+为例，3d10f133d9f14。由于磁场的作用，谱线分裂。对于左旋和右旋圆偏振光，选择定则为m=+1和m=1。强度取决于电子在原子中的标识：n3l1 (p) 芯能级（core level）2 (d) 价带（valence band）ml10-110-1210-1-2210-1-2ms-mj3/21/2-1/21/2-1/2-3/25/23/21/2-1/2-3/23/2-1/2-3/2-5/22p多重态3d多重态左旋，由|2p(1/2,1/2)到|3d(3/2,3/2)的跃迁几率为求和规则19

5、92年和1993年，B. T. Thole等首先提出了著名的可用于XMCD的轨道求和规则和自旋求和规则；通过求和规则可以分别得到自旋磁矩S和轨道磁矩L。 B.T. Thole, Paolo Carra, F. Sette et al. Phys. Rev. Lett. 68(1992): 1943-1946 P. Carra, B. T. Thole, M. Altarelli et al. Phys. Rev. Lett. 70(1993): 694-697Bernard Theodoor Thole(1950.4.1-1996.7.4)自旋求和规则一般形式：其中当l=c+1时：j+、j分别

6、表示c+1/2和c 1/2能量范围(L3和L2或者M5和M4)求和规则的注解求和规则是理论推导的结果，根源于原子物理的光学求和规则；所构造的物理模型用到了许多近似，有一定的应用范围，不分情况的随便套用，可能得不到正确的结果。求和规则归一化问题 明显的，我们平常处理的是吸收截面或者吸收系数，而求和规则处理的是I。如果积分能量区域相对于平均跃迁能量很小，两者基本上没有区别，直接处理吸收截面即可。如果积分区域较大，就要老老实实的除以能量得到求和规则l=c+1 vs l=c-1 l=c+1的求和规则和l=c1的求和规则是不同的。遗憾的是，实验上区分不出上述两种过程。如2p3d，还存在2p4s。因此只有

7、l=c-1过程很小时，得到的结果才正确。对于3d过渡金属L2,3和稀土金属的M4,5就是这种情况。求和规则初态和末态不是非纯态会影响结果？(argument) 一般的考虑是初态c4c+2ln，末态c4c+1ln+1。也就是别的壳层对吸收没有影响。实际情况是初态和末态几乎都不可能描述为纯态的多谱线，因为它们有一定的混合。Thole等认为这些相互作用不太可能影响到sum rule的结果。不过争论一直在持续，理论研究和实验验证一直都在推进。求和规则随能量和自旋变化的径向矩阵元素这是理论引入误差的主要来源。（1）对MCD，四极跃迁贡献可能会很强，如3d过渡金属的K边和稀土金属的L2,3边。偶极跃迁的s

8、um rule不能用；（2）径向矩阵元素是否随能量和自旋变化因不同材料而异，很难给出一种判别的准则和描述；（3）稀土金属M4,5边一般都能忽略径向矩阵元素随能量和自旋变化的影响。求和规则Sum rule给出了通过磁圆二色谱得到轨道磁矩和自旋磁矩的途径；3d过渡金属L2,3边和稀土金属的M4,5边很好适用；Sum rule在3d过渡金属的K边和稀土金属的L2,3边很可能不适用。的计算计算是获得自旋磁矩的关键当基态为纯态，J为好量子数时，有严格的公式得到。如稀土金属。3d过渡金属不满足上式表征自旋向上和自旋向下电子的电四极矩的计算可能为0？ 无自旋轨道耦合 实际情况是自旋轨道耦合肯定存在，那么的数

9、量级如何？可以忽略？Cu2+的自旋轨道耦合强烈，甚至比更大。不可能直接直观的得到趋向于0的简单结论 3d过渡金属已有实验证实：3d过渡金属合金趋向于0！如果立方对称情况下趋向于0，那么在晶格失配情况下，可能变得比较大。Fe、Co、Ni的合金表面就是这种情况。磁圆二色实验磁场和X射线吸收谱的装置差不多，只是要加入一个外磁场。可以改变磁场方向，也可以改变入射光手性。理想的操作是对于每一光子能量采样点，改变磁场方向（磁场强度中等）。因为它能避免磁场恒量测量模式下的漂移，信噪比好于104。一般线圈(0.1T)，电磁铁(2T)，超导线圈(7T)磁场的引入使得对称性破缺，外加磁场的大小变化不会影响MCD谱

10、磁圆二色实验探测方法透射法：一般适用于硬X射线波段电子产额：足够靠近样品（排除外加磁场的影响）。荧光法：样品微量和X射线吸收实验方法是一致的第一个XMCD实验谱1987年Schtz等获得Fe的K边XMCD谱，当时sum rule还没有提出。G. Schtz, W. Wagner, W. Wilhelm et al. Phys. Rev. Lett. 58 (1987): 737-740国内的XMCD北京光源2004：PtFe合金的Pt的L2,3边合肥光源2004：MgO衬底上生长的Fe单质膜的XMCD 应用XMCD可以通过sum rule得到特定元素的轨道磁矩L和自旋磁矩S。在实验中可以研究磁

11、性材料中由于微观相互作用或几何形状、尺寸效应反映在磁矩的改变上，即这些效应的微观起源。测量轨道磁矩和自旋磁矩采用sum rule可以分别得到特定元素的轨道磁矩和自旋磁矩。Au衬底上Fe膜的XMCD:Fe膜厚24自旋磁矩为2.29B，轨道磁矩0.21BFe膜厚9.25自旋磁矩为2.19B，轨道磁矩0.25BG Schtz, P Fischer, K Attenkofer et al., J Appl. Phys., 76(1994): 453-458磁滞回线元素可分辨的，可以得到复杂体系内指定元素的信息。Si(100)上多层膜Fe/Cu/Co分别记 录Fe和Co的L3的峰值与外磁场的 关系，光束

12、线提供相反偏振的X 光以得到XMCD信号。探测方式：荧光产额C T Chen, Y U Idzerda, H J Lin, et al., Phys. Rev. B48(1993), 642掺杂离子的影响随着掺杂Al3+的浓度增加，Fe离子的圆二色信号减小，也就是磁矩随着Al3+的浓度增加而减小。而结合Fe 的L2,3边可以发现随着掺入Al3+，混合价电子态的缺失。C. K. Yang, J. W. Chiou, H. M. Tsai et al. Appl. Phys. Lett. 86 (2005): 062504Fe3C的K边高压研究随着压力的增大， XMCD 强度逐渐减弱，磁矩随着减小，在大约10GPa有明显的下降坡。现在，对于这种不稳定性现象的物理解释尚未清楚。E. Duman, M.