《磁性测量》第三讲原理和技术

中国科学院物理研究所通用实验技术公共课程《磁性测量》赵同云磁学国家重点实验室2024年4月24日第三讲：原理和技术声明依据《中华人民共和国著作权法》第二十二条的规定，本讲稿所引用的一些可公开查阅的书籍、报告、论文等文献中的图、表、数据等资料，仅为课堂教学使用。未经其知识产权所有者许可，任何人不得将其用于商业赢利之目的！

赵同云目录

中子散射电磁感应定律磁光效应磁电效应磁力（学）效应磁共振效应磁热效应中子散射的原理和技术中子的特性中子的磁散射中子散射在磁性测量中的独特地位中子散射的原理和技术NeutronScatteringfromMagneticMaterials, TapanChatterjied.,ElsevierB.V.,Amsterdam(2006).《中子衍射技术及其应用》（《现代物理基础丛书》第42卷）， 姜传海、杨传铮，科学出版社，2012年。《中子物理学：原理、方法与应用》（上册、下册）， 丁大钊、叶春堂、赵志祥，原子能出版社，2005年。参考资料：CSNS航拍图

2018年中国散裂中子源ChinaSpallationNeutronSource（CSNS）东莞松山湖（2007年～2018年）2011年10月20日奠基仪式2001年2月，香山会议提出在中国建设散裂中子源的设想。2005年7月19日，国家科教领导小组原则批准未来5年内建造9个重大科学装置，中国散裂中子源项目居首位。2006年1月，中国散裂中子源启动关键技术的预研。2007年2月13日，中科院与广东省政府签署合作备忘录，双方共同向国家申请在广东东莞建设散裂中子源装置。2007年4月26日，东莞中子科学中心在松山湖科技产业园正式挂牌。2007年10月13日，现任中国科学院院长白春礼深入东莞市大朗镇水平村考察散裂中子源项目选址情况。2008年9月28日，国家发改委正式批准中国散裂中子源项目建议书。2008年10月13日，国家发改委副主任张晓强、中国科学院副院长詹文龙到东莞市大朗镇视察散裂中子源建设地。2009年6月，中国散裂中子源工程建设领导小组成立，8月21日，散裂中子源工程领导小组在广州举行第一次会议。2010年4月23日，国家环境保护部批复《中国散裂中子源建设项目环境影响报告书》，5月24日，国土资源部批复《关于中国散裂中子源项目用地预审的请示》。2011年2月24日，国家发改委正式批复中国散裂中子源项目建设可行性研究报告。2011年3月14日，十一届全国人大四次会议表决通过《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，散裂中子源被列入国家“十二五”规划的“科技创新能力建设重点”。2011年5月12日，中科院正式批复散裂中子源项目初步设计及概算，8月25日，中科院院长白春礼为“中国散裂中子源”题名。2011年10月20日，中国散裂中子源在东莞举行工程奠基典礼，正式开工建设。俯瞰图中子的特性SirJamesChadwick（1891～1974）1932年1935年约里奥居里夫妇（错过的粒子）发现者遗憾者1931年电子磁矩：中子磁矩：电子质量：me=9.10938356(11)

10

31kg中子质量：mn=1.674927471(21)

10

27kg取自CoData2014中子的特性LouisdeBroglie（1892～1987）1924年经典电子半径：中子半径：？取自CoData2014deuteronrmschargeradius：粒子？波？中子的能量：快中子、慢中子、热中子、冷中子、…中子动能～热能Maxwell-Boltzmann速率分布中子的特性热中子的波长：温度（K）3002902007710000波长（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无（线电是中子）所不能的？中子的用处核物理研究：常规粒子无（线电是中子）所不能的材料性质研究：全能粒子材料性质改造：特种粒子晶体结构、磁结构、应力、动力学CHNO同位素制造、核废料再生中子的磁散射CliffordGlenwoodShull（1915～2001）ErnestOmarWollan（1902～1984）1994年BertramNevilleBrockhouse（1918～2003）技术谱学1940s～中子微分散射截面的主方程（masterformula）：取自“参考资料1”下标“0”：入射；下标“1”：出射原子在哪儿？原子在干什么？中子的磁散射1940s～散射截面：n0：单位面积的入射中子数入射中子样品

（

，

）方向

n：立体角内的出射中子数微分散射截面：

0

1（E0,k0,

0）（E1,k1,

1）双微分散射截面：出射中子全微分散射截面：中子的磁散射1940s～几个算符：电子自旋和轨道磁矩所产生的磁场：中子磁矩在电子所产生的磁场中的位势：V中子的磁散射1940s～几个算符：中子的散射矢量算符：中子的位移矢量算符：样品k0k1qrriR磁相互作用算符：求和遍及所有的未成对电子：单位波矢量中子的磁散射1940s～几个算符：中子的磁散射1940s～几个算符：电子的自旋磁化强度算符：自旋的磁化强度（实空间）：自旋密度：自旋的磁化强度（动量空间）：（自旋）磁相互作用算符：中子的磁散射1940s～几个算符：电子的轨道磁化强度算符：轨道的磁化强度（动量空间）：（轨道）磁相互作用算符：中子的磁散射1940s～几个算符：电子的总磁化强度算符：总磁化强度：磁相互作用算符：中子的磁散射1940s～什么意思：

k1k0qDD

在特定方向可以检测到被磁（化强度）散射的中子

与中子散射矢量q的关系：中子的磁散射1940s～

与中子自旋取向

的关系：热中子：

，

：笛卡儿坐标系的坐标分量中子的磁散射1940s～

，

：笛卡儿坐标系的坐标分量Pauli自旋算符的性质：Kronecker’sdelta：

与中子自旋取向

的关系：中子的磁散射1940s～

，

：笛卡儿坐标系的坐标分量

与中子自旋取向

的关系：磁化强度散射矢量方向性中子的磁散射1940s～最后一个通用方程：

与磁矩位置的关系：空间位置DiracDelta：局域电子、巡游电子、自旋-轨道耦合中子的磁散射1940s～（例）局域电子体系：

与磁矩位置的关系：原子位置关联函数磁矩取向关联函数f(q)：中子磁散射的形状因子（磁性电子密度分布）f(q)

：随散射角增大，衰减比X射线更快；中子核散射的形状因子：与散射角度无关。空间位置中子的磁散射1940s～（例1）顺磁体系：空间位置漫散射项：Bragg散射项：k1k0q外加磁场BBravais胞倒格矢磁场中的顺磁体中子的磁散射1940s～（例2）铁磁体系：空间位置k1k0q外加磁场BBravais胞倒格矢饱和磁化的铁磁体：各向同性的铁磁体：

中子的磁散射1940s～（例3）反铁磁体系：空间位置晶格（原子核）的Bravais胞倒格矢各向同性的铁磁体：磁（矩）晶格的Bravais胞倒格矢磁结构的波矢简单立方中子散射的独特地位磁结构的唯一性问题：逻辑中子散射的实验：仪器和样品实验数据的解析：磁群（二色群）同步辐射的磁散射：第二个？中子散射：目前，唯一的、可信赖的、直接判定磁结构的技术。MTHM反铁磁性？超顺磁性？自旋玻璃？磁晶各向异性？…铁磁性？亚铁磁性？超顺磁性？…原命题：如果A成立

B成立；（A是B的充分条件）逆命题：如果BA成立；（A是B的必要条件）否命题：如果A不成立

B不成立；（A是B的必要条件）逆否命题：如果B不成立

A不成立；（A是B的充分条件）原命题与逆否命题一定为真；逆命题和否命题不一定为真；所有命题都为真，则A是B的充分必要条件（充要条件）应该注意的问题逻辑如果A成立

B成立A是B的充分条件；B是A的必要条件设“A”＝“具有铁磁性”；“B”＝“存在磁滞迴线”如果“具有铁磁性”必然“存在磁滞迴线”如果“存在磁滞迴线”不一定“具有铁磁性”充分条件非必要条件学会了多少知识

学会了使用多少知识电磁感应原理FaradayLawofElectromagneticInduction电磁感应定律

Faraday’sLaw电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比。1831年08月29日，法拉第（MichaelFaraday,1791.09.22～1867.08.25）电路移动：磁场变化：《费曼物理学讲义（中文版）》第2卷，第195页：“我们知道，在物理学的其它领域里还没有一个这么简单而又准确的普遍原理竟需要从两种不同现象作出分析才能真正加以理解的。通常，这么一个优异的普遍性总是发源于一个单一而又深刻的基本原理。”电磁感应1电磁感应原理面积A磁通量

电磁感应2×匝数Faraday-Maxwell’sLaw电磁感应原理的应用基础

（专题）磁偶极子假设变化磁通的技术实现变化磁通的测量电磁感应原理磁通量

电磁感应3必须明确的几个问题自由空间的稳态磁通可以直接测量－磁通计样品内部的稳态磁通无法直接测量？变化的磁通可以直接测量如何产生变化的磁通如何测量变化的磁通电磁感应原理电磁感应4必须明确的几个问题1、变化的磁通2、检测线圈3、磁矩定标被测样品检测线圈静止运动静止迴线仪VSM、ESM、MPMS运动振动（转动）线圈电磁感应原理电磁感应5t0t1ε(t)t冲击法磁强计电动法感应（测量发电机）法电子积分器、数字积分器各种手动、自动直流磁性测量仪器磁场强度H

磁矩、磁场、磁通及其测量从定义出发理解测量的含义磁通密度（磁感应强度）B表示磁场强弱程度磁通磁化强度M单位体积内的磁矩，表示磁化的强弱程度磁场的强度磁矩m：表示物质磁性强弱课后作业06基础14了解中子的基本特性，如，中子的质量、磁矩，热中子、冷中子，快中子、慢中子，中子波长的计算方法，产生中子的方法等。（造访中国散裂中子源。）原理03物质对中子的散射与对X射线、电子的散射有何异同？中子散射是否有不可替代的独特性？原理04什么是磁结构？中子散射测量磁结构的原理是什么？为什么中子散射被认为是目前直接确定物质磁结构的唯一可信的技术方法？原理05深入了解电磁感应定律的物理意义。（可参考《费曼物理学讲义》第二卷第十七章的内容）技术05什么是极化中子？什么是非极化中子？中子散射实验对所用样品有什么要求？了解中子散射实验的数据处理流程。磁光效应MagnetoopticalEffects2.2磁性测量的依据物理效应之二：磁－光磁线振二向色性磁圆振二向色性Faraday效应磁双折射效应Cotton－Mouton效应Zeeman效应磁致激发光散射（磁振子－光子散射）回旋共振（载流子、离子）光透射模式发光光谱光子散射光反射模式Kerr效应纵向Kerr效应极向Kerr效应横向Kerr效应借072、磁性测量的总体概况磁与光及相关效应光的吸收、散射和色散M（B）EHSzxyOEM(B)参考读物关于偏振、透射、反射、散射、吸收（《电动力学》）“Magneto-opticaleffects”,P.S.Pershan,J.Appl.Phys.,38,1482-1490(1967).《计量测试技术手册》第7卷《电磁学》，中国计量出版社，1996《磁性测量》，周世昌编，电子工业出版社，1994《拉曼布里渊散射》，程光熙著，科学出版社，2001“Magneticdichroismincore-levelphotoemission”,K.Starke,Springer-Verlag,2000“X-rayscatteringandabsorptionbymagneticmaterials”,S.W.Lovesey,S.P.Collins,OxfordU.Press,1996参考读物“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:3540201084参考读物“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:3-540-54418-6参考读物A.K.ZvezdinandV.A.KotovModernMagnetoopticsandMagnetoopticalMaterialsInstituteofPhysicsPublishing,BristolandPhiladelphia,1997,ISBN:075030362X物理的非（纯）数学的光是什么？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？Photology？Sight？Photics？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对光的吸收的影响对光的散射的影响透射：Faraday效应、Voigt效应、Cotton－Mouton效应反射：磁光Kerr效应对光的偏振状态的影响能级劈裂：Zeeman效应磁二色性：磁圆二色谱（MCD）、磁线二色谱（MLD）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sumrules磁与光及相关效应磁光1磁－光效应的种类效应名称光路/模式入射光出射光Faraday效应透射平行于M线偏振偏振面旋转Cotton-Mouton效应（Voigt效应）磁双折射效应垂直于M线偏振椭圆偏振磁圆振二向色性吸收平行于M线偏振椭圆偏振磁线振垂直于M线偏振椭圆偏振横向Kerr效应反射M垂直于表面线偏振椭圆偏振纵向M平行表面及入射面线偏振椭圆偏振极向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发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）理论磁场使得介电张量矩阵变为非对称矩阵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能所需基础知识电磁波的产生与检测电磁波与物质的相互作用：

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

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EHS光的能量范围与磁效应10

m10-1nm1nm10nm100nm1

m10-2nm10-3nm100km10km1km100m10m1m10cm1cm1mm100

m10THz1018Hz1017Hz1016Hz1015Hz100THz1019Hz1020Hz1kHz10kHz100kHz1MHz10MHz100MHz1GHz10GHz100GHz1THz

射线X-射线紫外线可见光红外线远红外线VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF微波无线电—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—磁与光及其相关效应磁共振磁共振电子预备1RF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自旋－轨道耦合＋Zeeman劈裂强度、偏振、方向、频率、相位HM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磁光Faraday效应MagneticOpticalFaradayEffect(MOFE)1845年，M.Faraday所有介质FaradayM.,Phil.Trans.Roy.Soc.136,1(1846)/definition/Faraday_effect磁光Faraday效应法拉第效应1线偏振光Ml0左旋圆偏振光右旋圆偏振光入射光椭圆偏振光出射光

磁光Faraday效应法拉第效应2Faraday旋转角

F：（l0为样品厚度）V：Verdetconstant，非磁性介质K：Kundtconstant，磁性介质Ml0O/E线偏振椭圆偏振光电转换石英玻璃苯YIGV:

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

/(cm·Oe)830nm3.4磁光Faraday效应法拉第效应3磁光Faraday效应的应用磁光隔离器（透射型，如YIG）磁场强度测量（非磁性介质）磁光存储器读头（read）磁化行为测量（磁性介质）磁畴结构观测（透光）动态磁化过程磁光Kerr效应MagneticOpticalKerrEffect(MOKE)1876年，ReverendJ.C.Kerr所有介质KerrJ.C.,J.Rep.Brit.Assoc.5,(1876)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。θiθrθtE如果M＝0，r12＝r21＝0，即，一般Fresnel公式光在磁性介质表面的反射磁化强度－入射面－反射面ErME0ErME0ME0Erreflection+transmission极向Kerr效应纵向Kerr效应横向Kerr效应非垂直入射反射率与M相关磁光Kerr效应克尔效应2http://www.qub.ac.uk/mp/con/magnetics_group/MOlooper.html磁光Kerr效应克尔效应3磁光Kerr效应的应用磁化行为测量（纵向、极向）磁畴结构观测（insitu）：SMOKE动态磁化过程磁光存储器读头（read）磁光隔离器（反射型）磁场强度测量SHGSecondHarmonicGeneration磁光Kerr效应克尔效应4利用磁光Kerr效应测量各向异性psrkMROT-SMOKE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TheoryoftheFaradayandKerreffectsinferromagnetics,PetrosN.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？secondharmonicgeneration:转角～<M2>LorentzforceBrillouin散射谱BrillouinScattering1912年～1922年，L.Brillouin所有介质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、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。晴朗的天空为什么是蓝色的？JohnTyndall（1869）JohnRayleigh（1880）AlbertEinstein（1910）非弹性光散射光散射2Raman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3Brillouin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Rayleigh散射Brillouin散射：声学声子或者磁振子；Raman散射：所有种类的元激发Brillouin散射谱布里渊散射1Brillouin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1.0cm－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。反射光kSkL

入射光q

声波、玻色子（声学声子、磁振子）Brillouin散射谱布里渊散射2Brillouin散射谱的测量10-510-4cm-1Rayleigh0.51.0cm-1Brillouin5001000cm-1Raman多通Fabry－Perot干涉仪（FPI）L位置可调位置固定

对比度：自由光谱区Brillouin散射谱布里渊散射3仪器设备框图InelasticlightscatteringinmagneticdotsandwiresSergeyO.Demokritov*,BurkardHillebrandsJournalofMagnetismandMagneticMaterials200(1999)706－719多通FPIBrillouin散射谱仪Brillouin散射谱布里渊散射4Brillouin散射谱的应用声学声子磁振子表面磁振子声速的测量声学声子模式自旋波激发饱和磁化强度Landé因子测量表面各向异性磁二色谱X－rayMagneticCircular/LinearDichroism(XMCD/XMLD)BernardTheodoorThole(1950.4.1-1996.7.4)“Ihaveneverseensuchanexcellentpieceofwork,sopoorlywrittenup”1975，1985，1986，1987，1990，1992，1993，…synchrotronlight磁二色谱研究的起源磁二色谱1起源三：X－射线吸收谱的精细结构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与巡游模型之争XAS:x-rayabsorptionspectroscopyEXAFS:extendedx-rayabsorptionfinestructureNEXAFS:near-edgex-rayabsorptionfinestructureXANES:x-rayabsorptionnearedgestructure起源二：X－射线磁光效应的研究FaradayMOE,KerrMOE,VoigtMOE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磁二色谱磁二色谱3磁圆二色谱：(XMCD:magneticcirculardichroism)

～M磁线二色谱：(XMLD:magneticlineardichroism)

～M2《Magneticdichroismincore-levelphotoemission》

K.Starke，Berlin，Springer-Verlag，2000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L2,3（2p

3d）、4fRE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4f_XMCD3d_XMCD磁二色谱的产生条件磁二色谱41、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:MagneticDichroismPhotoEmissionMDPEcanexist,ifthereisnospace-symmetryoperationwhichreversesthemagnetizationonlybutleavesthesystemunchangedotherwise.光的偏振与磁二色谱磁二色谱51、光偏振的定义方法：光沿z

方向传播2、磁二色谱的表示方法：zRCPLCP化学RCPLCP物理圆偏振用旋转方向q

表示：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spEkMCD：吸收峰强度：A，

A

AL－AR

吸收系数：k，

k

kL－kR

MLD：椭圆度：[

]Mphotoelectronphotocurrent磁二色谱磁二色谱6元素分辨：磁矩（自旋、轨道）分辨、各向异性：原子序数Z原子量A原子光谱光吸收谱原子能级原子身份证特征谱线自旋－轨道耦合；

交换劈裂；

自旋极化相关吸收；？磁二色（XMD）谱－磁矩？原子芯电子能级量子力学据说磁二色谱的理论处理磁二色谱7Fermi’sGoldenRule：跃迁几率跃迁几率平面波考虑偏振q：Wigner－EckartTheorem：角动量耦合q＝0，线偏振，～<M2>；q=±1，圆偏振，～<M>SumRules：从吸收谱计算自旋和轨道的分量A：L3强度，B：L2强度预备知识磁二色谱8偏振态相关的吸收几率

J＝0，±1；mj＝0，±1MCD：J＝－mjMLD：J＝0，1磁二色谱磁二色谱9磁性元素－磁性壳层－磁性电子3d

过渡族元素：Fe,Co,Ni4f

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

过渡族元素：1s

3d2s

3d2p

3d3p

3d4f

稀土元素：3d4f4f

5d芯电子能级未占据能级：

l＝l’－l＝±1缩小范围预备知识磁二色谱10X－射线产生、散射、吸收能级跃迁几率与选择定则（selectionrules）自旋－轨道耦合X－射线吸收谱（XAS:x-rayabsorptionspectroscopy）光电子能谱（PES:photoelectronspectroscopy）光电子显微谱（PEM:photoelectronmicroscopy）光发射电子显微谱（PEEM:photoemissionelectronmicroscopy）预备知识磁二色谱11X－射线的产生与吸收KLMNOK

K

L

L

K1K2电子能级nMoseley定律XRDXMCD/XMLDK

K

I元素分辨连续光X－射线与同步辐射光磁二色谱121895:Röntgen：发现X射线1913:Moseley：X－射线谱、Moseley定律X－射线同步辐射光（Synchrotronlight）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－MeV1960s：NIST第一代（parasitic）同步辐射光源SURF180－MeV1970s：英国Daresbury第二代（dedicated）同步辐射光源SRS5－GeV1980s－1990s：第三代（optimizedforbrightness）同步辐射光源：

SSRL、ESRF、NSLS1995：第四代（free-electronlaser）同步辐射光源？EERCPLCP预备知识磁二色谱13能级跃迁几率与选择定则电子态表示：n2S+1LJn2s+1lj原子能级光谱项符号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，l=0,1,2,3,…,n-1,ml＝l,l-1,…,0,…,-l+1,-lj＝l±1/2mj＝j,j-1,…,-j+1,-j预备知识磁二色谱14电子在原子中的标识：n3(M)l1(p)芯能级（corelevel）2(d)价带（valenceband）ml10-110-1210-1-2210-1-2ms½½½-½-½-½½½½½½-½-½-½-½-½mj3/21/2-1/21/2-1/2-3/25/23/21/2-1/2-3/23/2½-1/2-3/2-5/2jl

－1/2

2p1/2l

－1/2

3d3/2l

－1/2

2p3/2l＋1/2

3d5/2j=3/2j=1/2预备知识磁二色谱15(j,mj)与(l,ml,ms)的关系

J＝0，±1；mj＝0，±1j＝l＋s,l－ss＝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）。预备知识磁二色谱16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）：可能跃迁的选择定则：

n＝n’－n＝整数、零；

L＝L’－L＝±1；

S＝S’－S＝0；

J＝J’－J＝0，±1；禁闭J＝0J’＝0

mj＝0，±1；电偶极跃迁

ms＝0，NMR除外预备知识能级跃迁几率与选择定则电偶极矩跃迁选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：磁二色谱17预备知识磁二色谱18mj

mj

mj＝+1

mj＝－1

mj＝0？偶极选择定则允许的跃迁（吸收）

n＝1；L＝+1；S＝0；J＝0，±1；mj＝0，±1；ms＝02p

3d：预备知识磁二色谱19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；zyxM

mj＝0

mj＝+1

mj＝－1k右：＋ħ左：－ħL3L2M

k？spinflip?chirality预备知识磁二色谱20能带模型：自旋磁矩：轨道磁矩：右：＋ħ左：－ħL3L2“spin-up”and“spin-down”aredefinedrelativetothephotonhelicityorphotonspin,whichisparallel(right)oranti-parallel(left)totheX-raypropagationdirection.《Feynman物理学讲义》1964芯电子自旋－轨道耦合磁性电子－交换劈裂：磁矩入射光：偏振（角动量）预备知识磁二色谱21自旋极化探测器－磁性电子－磁矩温度T＝0K时,基态为温度T

0K时,各态为温度T

0K时,能态具有Boltzmann分布圆偏振光：线偏振光：MCD：MLD：AFMAFM磁二色谱磁二色谱22Au/Co/AuJ.Stöhr,JMMM,vol.200,470-497,(1999)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MagnetizationDynamicsSpinDynamicsUltrafastSpectroscopyt1t2t3t4t5t研究动态磁化过程的意义PureMagnetics动态磁化0AppliedMagnetics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/磁化强度的磁场不只是固定频率的交变磁场动态磁化过程的观测“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动态磁化1动态磁化过程动态磁化2磁矩－磁场－空间－时间的关系武汉市长江大桥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动态磁化过程武汉市长江大桥磁矩信号的动态识别在磁场作用下，空间某一位置的磁矩在一定时间内的变化情况。武汉市长江大桥罪过磁矩成像－技术动态磁化3磁场的影响磁畴磁矩平均磁矩时间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4、电子成像：5nm～20nm扫描（透射）Lorentz显微镜、Holography、SEMPA、PEEM（MCD、MLD）、SPLEEM3、光学成像：1/2n

波长～1/10波长（双光子、近场光学）1、BitterPattern：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(scanningHallprobe)和SSM(scanningSQUIDmicroscopy)：器件的尺寸PRL,vol.88,163901,2002.FaradayMO，KerrMO，SH－KerrMO（二次谐波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－时间分辨率动态磁化5时间分辨的特殊性spin-flip时间：10－15s？磁矩反转（magnetizationreversal/switch）时间：ns～ps？1、超快过程：ultrafast2、超慢过程：ultraslow磁矩弛豫过程：10－9s

～104s？磁化状态保持时间：106s～1010s？目前动态磁化过程的可用技术动态磁化6时间分辨铁磁共振（time-resolvedferromagneticresonance）时间分辨二次谐波磁光Kerr效应（time-resolvedsecondharmonicmagneto-opticKerreffect：TR-SH-MOKE）时间分辨磁光发射电子显微谱（time-resolvedmagneticphotoemissionelectronmicroscopy：TR-PEEM）时间分辨磁光Faraday效应（time-resolvedmagneto-opticFaradayeffect）1、可成像的检测技术：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7Near-fieldoptics:fromsubwavelengthilluminationtonanometricshadowingAaronLewis,HeshamTaha,AlinaStrinkovski,AlexandraManevitch,ArtiumKhatchatouriants,RimaDekhter&ErichAmmann1378VOLUME21NUMBER11NOVEMBER2003NATUREBIOTECHNOLOGY检测技术与相关术语动态磁化81、远场光学－衍射极限－近场光学

：远场光学（Franhaufer衍射）的Rayleigh衍射极限：提高分辨率（降低衍射极限）的途径增大数值孔径NA；减小光波波长；近场光学；无透镜成像（各种探针显微镜）NATUREBIOTECHNOLOGY

VOLUME21,1378,2003fibre动态磁化过程的检测动态磁化92、非线性光学－和频/二次谐波－双光子：电极化强度P：SHG：SecondHarmonicGeneration:双光束入射：ħ

1，ħ

2动态磁化过程的检测动态磁化103、Pump－Probe技术：1999年诺贝尔化学奖AhmedH.ZewailZewail,makesmoviesofmolecularbirths,weddings,divorces,anddeathswithwhatthecitationcallstheworld’sfastercamera…pump-probefemtosecondlaserpump-probeprocess动态磁化过程的例子动态磁化11PhotoelectronmicroscopyandapplicationsinsurfaceandmaterialsscienceProgressinSurfaceScience70(2002)187–260S.Günther,B.Kaulich,L.Gregoratti,M.Kiskinova基于XMCD/XMLD的PEEM基于磁光Kerr效应的TR-SH-MOKEP.M.Oppeneer,2002TheoryfornonlinearmagnetoopticsinmetalsK.H.Bennemann,JournalofMagnetismandMagneticMaterials200(1999)679

705基于铁磁共振的TR-FMRFerromagneticresonanceofultrathinmetalliclayersMichaelFarle,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……THEEND磁电效应MagnetoresistanceEffectsMagnetoelectricEffectsMagnetoimpedanceEffectsHallEffects2.2磁性测量的依据物理效应之一：磁－电自旋相关电子散射磁场－载流子巨磁致电阻效应（GMR）超大磁致电阻效应（CMR）各向异性磁致电阻效应（AMR）磁致隧道效应(TMR)一般磁致电阻效应（OMR）回旋共振（载流子、离子）Shubnikov－deHaas效应Hall效应量子Hall效应经典Hall效应分数Hall效应整数Hall效应借06磁场中的电输运2、磁性测量的总体概况磁致阻抗（MI）Uz磁场－电（流）效应IxUyUxxyzB0磁场－电流横向效应：Hall效应磁场－电流纵向效应：Thomson效应磁电效应－1Hall效应磁场传感器Hall效应：E.H.Hall，1879年E.H.Hall,Amer.J.Math.,2(1879),287xyzIxB0LbdUHall磁电效应－2Hall系数载流子浓度n

的典型值半导体本征载流子Si1.45

1010/cm3Ge2.4

1013/cm3GaAs1.79

106/cm3CODATA2014：e=1.6021766208(98)

1019Cd＝1.0mmIx＝1.0mAGaAs本征半导体～1.0

1016/cm3载流子浓度、温度、禁带宽度A=1017cm

31.0eV2.0eV3.0eV4.0eVEgHall效应Halleffect反Hall效应inverseHalleffect反常Hall效应anomalousHalleffect分数量子Hall效应fractionalquantumHalleffectvonKlitzing常数：RK＝25812.807(1

0.2

10-6)

整数量子Hall效应integerquantumHalleffect量子反常Hall效应quantumanomalousHalleffect？量子自旋Hall效应quantumspinHalleffect?关于Hall效应的术语Hall效应：E.H.Hall，1879年磁电效应－3Hall效应磁场传感器Hall效应磁场传感器件定标：标定K调零：UResistive温度补偿已经达到商品化EB磁电效应－4U’磁场－电流纵向效应xyzVIB0一般磁致电阻效应OMR各向异性磁致电阻效应AMR巨磁致电阻效应GMR庞磁致电阻效应CMR磁致隧道电阻效应TMR？问题：非线性响应磁场饱和磁电效应－5线圈电阻OMR、AMR的特性HRRRGMR、TMR

灵敏度、

标定、

测量范围HMR(%)

CMR温度稳定性TMR(%)磁－力效应MagnetomechanicalEffect(磁－力学效应)MagnetostaticForce(静磁力)MagneticTorsion(扭矩)关注磁－力学效应包括哪些物理现象？磁－力学效应可测哪些参数？磁各向异性的测量极弱磁矩信号的测量方法磁天平磁致伸缩效应2.2磁性测量的依据物理效应之三：磁－力（声）磁振子－声子相互作用磁声效应磁力效应磁致伸缩旋磁效应扭矩效应交变梯度磁强计磁秤（常用的有7种）转矩压磁效应线性效应体效应圆周效应Guillemin效应横向Joule效应Brackett效应Joule效应扭矩减小效应劲度系数效应Wiedemann效应Einstein－deHass效应Barrett效应借082、磁性测量的总体概况磁场敏感器件2.2磁性测量的依据物理效应之五：磁－磁中子散射（衍射）磁振子相互作用磁结构确定磁畴观测Lorentz力杂散磁场效应磁力（MF）显微法Bitter（粉纹）法借102、磁性测量的总体概况磁－力效应磁－力1原理（一）：梯度磁场中受力把含有磁矩m的物体放在非均匀的磁场中时，物体将受到沿磁场梯度方向的力的作用。此力的大小正比于磁场梯度和物体的磁矩。m为样品的磁矩为沿任意轴向的磁场梯度磁矩m沿任意轴向所受的力：磁天平磁－力效应磁－力2原理（二）：均匀磁场中扭矩当具有磁各向异性的物体在磁场中转动时，物体将受到转矩L的作用。其大小等于磁场强度与垂直于磁场方向磁化强度分量的乘积。V为样品的体积为与磁各向异性相关的能量转矩与磁各向异性的关系：转矩磁强计磁－力效应磁－力3原理（三）：磁致伸缩当磁性材料在磁场中被磁化时，材料的力学性质发生变化的效应。也存在逆效应。这里通称为磁致伸缩效应。可以是样品的体积、长度、弹性模量、刚度系数，等等。磁致伸缩系数λ：磁致伸缩仪磁－力效应磁－力4原理（四）：磁矩进动Barnett效应（1915年）

当磁性圆柱体在绕其柱轴作高速旋转时会产生微弱的磁化强度，其大小与角速度成比例。即，旋转致磁化效应。Einstein－deHass效应（1915年）

当自由悬挂的磁性圆柱体突然被磁化时会产生微弱的旋转。即，磁化致旋转效应。是Barnett效应的逆效应。旋磁比磁－力效应磁－力5相应的磁性测量仪器可测参数力的产生力的测量磁罗盘磁场方向磁场永磁体转矩磁强计磁各向异性样品(磁场)转动悬丝/压电晶体磁天平磁矩、磁场稳恒梯度磁场灵敏天平交变梯度磁强计磁矩交变梯度磁场压电晶体磁致伸缩测量仪伸缩系数稳恒磁场力敏器件回旋磁效应旋磁比磁化角动量磁各向异性磁各向异性：magneticanisotropy相同磁场强度时，磁化强度的方向相关性沿不同方向磁化时，磁化曲线及达到饱和的磁场强度不同或者物理起源－本质分类磁晶各向异性晶体对称性内禀