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1、磁 性 测 量 概 论（共 50 页）,磁 性 磁 性 测 量,磁 性 测 量 概 论,希望 澄清一些磁学计量概念 帮助 了解数据的来源 全面 掌握数据的测量方法 促进 研究磁性的测量理论与测量技术,1,磁 性 测 量 概 论,2,磁 性,磁性的起源：原子 磁矩,未 成 对 电 子,固有,3,磁 性,磁性的起源：原子 磁矩,电 子 电荷：e 自旋： 磁矩： 自旋磁矩轨道磁矩,原 子 核 电荷：e 自旋： 1 磁矩： N,原 子 磁 矩 电子磁矩原子核磁矩,未 成 对 电 子,Pauli不相容原理Hund 法则,固有,3,磁 性,磁有序的起源：交换相互作用,无交换相互作用,量子力学效应 全同粒子
2、,4,磁 性,物质的磁性（内禀）,5,磁 性,物体的磁性（表观内禀）,制备工艺相关,物理原理决定,尺寸效应（退磁因子） （天体基本粒子）,结 晶 状 态 显 微 结 构 杂 质 状 态,Fe 或者 铁 Co 或者 钴,6,磁 性 测 量,磁性测量的现状,7,一、直接测量原子的磁矩,二、间接测量原子的磁矩,真正测量单原子：磁圆（线）振二向色性 中子散射 ？ Mssbauer谱 ？,间接测量单原子：假设、计算,统计平均：总体平均,原子核磁矩？,再谈,磁 性 测 量,磁性测量原则,8,盘点我们的本事,磁 性 测 量,磁性测量原理,间接测量直接测量,9,磁 性 测 量,电磁感应原理,面积 A,磁通量
3、,10,磁 性 测 量,物理效应之一：磁电,11,磁场中的电输运,磁 性 测 量,物理效应之二：磁光,12,磁 性 测 量,物理效应之三：磁力（声）,13,磁 性 测 量,物理效应之四：磁热,磁致温差效应,磁 热 效 应,磁 卡 效 应,14,磁场敏感器件,磁 性 测 量,物理效应之五：磁磁,15,磁 性 测 量,磁相关共振,16,SR,磁 性 测 量,磁性测量: 技 术,信号发生,信号变换,信号采集,信号传输,信号存储,信号处理,电 信 号 光 信 号,模拟技术 数字技术,17,磁 性 测 量,磁性测量: 传统 仪 器,18,磁 性 测 量,磁性测量: 传统 仪 器,19,磁 性 测 量,磁
4、性测量: 传统 仪 器,信号采集,20,磁 性 测 量,磁性测量: 传统 仪 器,21,磁 性 测 量,磁性测量：虚拟 仪 器（VI）,传统仪器 厂商定义功能,虚拟仪器 用户定义功能,22,磁 性 测 量,磁性测量：虚拟 仪 器,Virtual Instrumentation- Computer Based Instruments,23,磁 性 测 量,磁性测量：虚拟 仪 器,24,待发展,25,再谈磁性测量的现状,磁性：磁体能吸引铁、镍等金属的性能,Magnetism：phenomena associated to magnetic field,什么是 “磁性”,（ZHAO）不仅仅是：Mag
5、netic Property of ,再谈1,至少包括：微观 粒子磁矩：质子、中子、电子、介子；原子、离子；分子、原子团、 颗粒 粒子的磁相互作用：交换作用、偶极作用、超精细相互作用；自旋 轨道耦合；分子场、自旋极化率 宏观 材料本身：磁化强度、矫顽力、磁能积；磁化率、磁导率；居里温度、 磁各向异性 材料与外界条件的相互作用：磁力、磁光、磁热、磁电、共振,自旋与轨道磁矩的测量,自由粒子的磁矩：基本解决,再谈2,中子、质子（氢离子）、电子、原子、离子、原子团,4、磁场偏转（SternGerlach实验）：中子、质子、介子,1、电子自旋假设：G. E. Uhlenbeck和S. Goudsmit（
6、1925）； 2、电子自旋理论：P. A. M. Dirac（1928） 3、电子自旋测量：SternGerlach实验（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效应、介子自旋共振（ SR） 中子衍射（抑制电子的磁性散射）,Candidates for the most beautiful experiments in physics （Robert P Crease, 纽约石溪分校） SternGerlach实验
7、（1922年）：电子自旋 MichelsonMorley实验（1887年）：光传播 Cavendish实验（1776年）：空球壳的电荷分布、电荷作用 WeberKohlrausch实验（1856年）：静止电荷与运动电荷关系 吴健雄实验（1956年）：弱相互作用的宇称不守恒 ,自旋与轨道磁矩的测量,自由粒子的磁矩：基本解决,再谈3,中子、质子（氢离子）、电子、原子、离子、原子团,一般是磁性材料：基本解决？ 1、元素分辨的自旋与轨道磁矩：磁二色谱（XMD） 2、非元素分辨原子磁矩：中子散射、Mssbauer谱？ 3、总体磁矩：1&2，宏观磁性测量。,6、自由粒子的形成：（实现无相互作用的自由状态）
8、 7、宏观磁性测量技术：可用统计平均,凝聚体的电子自旋与轨道磁矩：,自旋与轨道磁矩的测量,凝聚体的原子核磁矩：基本解决,再谈4,原子核磁矩的测量途径：与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：核磁矩与中子磁矩的相互作用（高角） 核磁共振：核磁矩基态亚能级（Zeeman能级）之间跃迁,2、原子核磁矩与电子的相互作用：,由于磁超精细相互作用的存在： Mssbauer效应：核磁矩基态与激发态之间的能级跃迁； 电子自旋共振（ESR）、光谱超精细结构、 SR,磁结构与相互作用,磁结构有效方法不多点阵分辨,1、磁结构的定义：,再谈5,针对材料而言；原子磁矩的空间（几何）位置、相对取
9、向。,2、比较有效的（直接）方法：,目前只有中子衍射是测定材料磁结构的有效方法。,磁二色谱：元素分辨，提高空间位置分辨率,相变方法：磁共振、各种宏观磁性测量技术,3、其它可以使用的方法：,NMR、Mssbauer谱,谨慎,原命题：如果A成立 B成立；（A是B的充分条件） 逆命题：如果B A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,设“A”“具有铁磁性”； “B”“存在磁滞迴线
10、”,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”,反铁磁性？ 超顺磁性？ 自旋玻璃？ ,铁磁性？ 亚铁磁性？ 超顺磁性？ ,充分条件非必要条件,一个人的能力不在于 学会了 多少知识而在于 学会了 使用 多少知识,磁结构与相互作用,磁结构有效方法不多点阵分辨,相变方法：温度依赖关系 理论,再谈6,1、磁共振方法：可以分辨磁性与非磁性；包括（Mssbauer谱测量铁磁顺磁转变：谱线劈裂、ESR、FMR、NMR等）,2、宏观磁性测量技术： 测量材料的磁化率温度曲线。根据曲线的特征判断磁结构。属于总体平均结果，不是原子点阵分辨的，只能（定性）说明材料整体处于何种磁结
11、构,磁结构与相互作用,交换相互作用磁结构,再谈7,超精细相互作用：磁共振技术、光谱,宏观磁偶极作用：（大块材料）力学测量,自旋轨道耦合：ESR、磁二色谱,磁偶极作用？,微观磁偶极作用：理论？M方法？ 磁共振（也许）,磁超精细作用解决,自旋轨道耦合？,各种磁场的测量,物体外的磁场空间,1、地球范围内的磁场基本解决,再谈8,各种磁场传感器：Hall效应磁强计、各种磁场电流效应（MR）、磁通门磁强计、SQUID、磁光效应、NMR,2、地球外宇宙的磁场无直接测量,理论预言：天体物理（中子星、磁星，等等）,生物体磁场：SQUID、磁通门磁强计,各种磁场的测量,物体内的磁场办法不多,1、分子场（交换场）困
12、难,再谈9,磁共振技术：ESR、NMR、Mssbauer谱；光谱？,规则形状：理论修正（宏观磁性测量）； 铁磁共振（FMR）：Kittel公式 不规则形状：几乎不可能,分子场（交换场）：？（磁共振AFMR）,2、退磁场比较困难,3、磁超精细磁场解决较好,各种磁场的测量,物体内的磁场办法不多,4、磁晶各向异性等效场宏观 解决较好,再谈10,铁磁共振：球形样品，各向异性常数测量,中子衍射、Mssbauer谱：？,磁二色谱：XMCD，Bruno提出（1989年）,宏观磁性测量：磁转矩方法、 磁光Kerr效应（复旦 金晓峰） 磁化曲线方法：奇点探测法（SPD） 取向样品磁化曲线交点,宏观磁性能的测量,
13、直流磁性能解决相当好,再谈11,各种宏观直流磁性能测量技术，如：电磁感应、力学、光学、磁共振技术，等。,工频、射频、微波、远红外（马达、通信、磁共振）,磁光效应（Faraday、Kerr、XMD）：基本解决,光磁效应：有待研究,交流磁性能解决比较好,光频磁性能,自旋极化率的测量,自旋极化率的定义,再谈12,2、A. F. Andreev反射：表面（界面）极化状态,Fermi面附近不同取向的电子自旋态密度的差？,自旋极化率的测量原理缺陷,1、电输运（隧道效应）：传导电子的自旋极化,3、光电子谱（PES）：XMCD/XMLD能量分辨差,动态磁化过程,动态磁化过程的定义,再谈13,狭义：交流磁化过程
14、（工频、射频、微波）,广义：磁化状态随时间变化的具体过程。 固定周期的交变磁场、脉冲磁场,动态磁化过程的观测快速发展,磁光效应：二次谐波Kerr效应（SHMOKE） 磁共振：铁磁共振（FMR） 光电子谱（PES）：XMCD/XMLD能量分辨 其它,磁成像技术,杂散磁场成像：限于物体表面,再谈14,粉纹法（Bitter Pattern）：磁性颗粒受畴壁杂散场影响。 磁力显微镜（MFM）：Magnetic Force Microscopy 扫描Hall探针（SHP）：Scanning Hall Probe 扫描SQUID显微镜（SSM）：Scanning SQUID Microscopy 扫描MR
15、显微镜（SMRM）：基于磁场电流效应，有待发展 Lorentz电子显微镜：电子受到的Lorentz力作用 电子全息术：Electron Holography（1967，Cohen）干涉,物体表面的磁畴成像：丰富多彩,物体内部的磁畴成像：进展缓慢,两大类原理：1、杂散磁场成像；2、磁矩本身成像,磁成像技术,磁矩成像：磁矩大小、方向,再谈15,磁光Faraday效应（MOFE）：内部磁畴？ 磁光Kerr效应（MOKE）：表面磁矩成像 表面磁光Kerr效应（SMOKE）： 二次谐波磁光Kerr效应(SH-MOKE)：Second Harmonic Magneto Optical Kerr Effec
16、t近场光学成像,1、光学成像：磁光效应,2、电子成像：,自由电子束，受激发电子（光电子、二次电子）,磁成像技术,磁矩成像：表面,再谈16,自旋极化低能电子显微术（SPLEEM）：Spin-polarized Low Energy Electron Microscopy表面的自旋相关准弹性散射,自旋极化自由电子束：,极化分辨扫描电子显微镜（SEMPA）：Scanning Electron Microscopy with Polarization Analysis,用Mott探测器测量二次电子的自旋极化状态,二次电子：,自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）：Spin-polarized Scanning Tunneling Microscopy表面的自旋相关隧道效应,弹道电子磁显微镜（BEMM）：Ballistic Electron Magneti
