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常用磁性测量仪器（ III） （ 共 73 页）

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. 关于偏振、透射、反射、散射、吸收（《电动力学》） “ Magneto-optical effects ”, 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

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常用磁性测量仪器（ III） （ 共 73 页）

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  1. 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

  2. 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。

  3. 参考读物 • 关于偏振、透射、反射、散射、吸收（《电动力学》） • “Magneto-optical effects”, 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 • “Magnetic dichroism in core-level photoemission”, K. Starke, Springer-Verlag, 2000 • “X-ray scattering and absorption by magnetic materials”, S.W. Lovesey, S.P. Collins, Oxford U. Press, 1996

  4. 参考读物 • “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 • “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 • “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

  5. 参考读物 • “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: 0-471-03302-2 • “Inelastic Scattering of X-Rays with Very High Energy Resolution”, by Eberhard Burkel, Springer Tracts in Modern Physics, Volume 125, Springer-Verlag; (1991), ISBN: 3-540-54418-6

  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；

  7. 磁场 磁性介质 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

  8. 磁场、磁性介质对光的影响 能级劈裂：Zeeman效应 • 对光的偏振状态的影响 • 对光辐射的影响 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

  9. 磁场、磁性介质对光的影响 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 • 发现历史

  10. 磁光1 磁与光及相关效应 磁－光效应的种类

  11. 磁光效应的物理来源 磁场使得介电张量矩阵变为非对称矩阵 • 经典（电动力学）理论 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

  12. E S H 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

  13. 预备1 1 kHz 100 km VLF 10 kHz 10 km LF 100 kHz 1 km 无 线 电 MF 1 MHz 100 m HF 10 MHz 10 m VHF 100 MHz 1 m UHF 1 GHz 10 cm SHF 微波 10 GHz 1 cm EHF 100 GHz 1 mm 1 THz 远红外线 100 m 10 THz 10 m 红外线 100 THz 1 m 可 见 光 1015Hz 100 nm 紫外线 1016Hz 10 nm 1017Hz 1 nm X-射线 1018Hz 10-1nm 1019Hz 10-2nm 射线 1020Hz 10-3nm 光的能量范围与磁效应 RF 1 cm－1— 10 cm－1— 100 cm－1— 1000 cm－1— 10 000 cm－1— 磁共振 — 1 K — 10 K — 100 K — 103 K — 104 K — 105 K — 106 K — 107 K — 108 K — 109 K — 0.001 eV — 0.01 eV — 0.1 eV — 1 eV — 10 eV — 100 eV — 1 keV — 10 keV — 100 keV — 1 MeV 磁与光 及其 相关效应 电子 磁共振

  14. H M 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 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

  15. 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

  16. 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

  17. 法拉第效应1 左旋圆偏振光  出射光 M l0 椭圆偏振光 线偏振光 右旋圆偏振光 磁光Faraday效应 入射光

  18. 法拉第效应2 M O/E l0 线偏振 椭圆偏振 光电转换 磁光Faraday效应 Faraday旋转角F：（l0为样品厚度） V：Verdet constant，非磁性介质 K：Kundt constant，磁性介质

  19. 法拉第效应3 磁光Faraday效应 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

  20. 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

  21. 克尔效应1 磁光Kerr效应 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 θi θt 如果 M＝0，r12＝r21＝0， 即，一般Fresnel公式

  22. Er Er E0 E0 Er E0 M M M 光在磁性介质表面的反射 磁化强度－入射面－反射面 reflection + transmission 极向Kerr效应 纵向Kerr效应 横向Kerr效应 反射率与M相关 非垂直入射

  23. 克尔效应2 磁光Kerr效应 http://www.qub.ac.uk/mp/con/magnetics_group/MOlooper.html

  24. 克尔效应3 磁光Kerr效应 磁光Kerr效应的应用 • 磁化行为测量（纵向、极向） • 磁畴结构观测（in situ）：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 SHG Second Harmonic Generation

  25. 克尔效应4 r k s p 磁光Kerr效应 利用磁光Kerr效应测量各向异性 M ROT-SMOKE 复旦大学

  26. 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>

  27. 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

  28. 光散射1 光的散射 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。

  29. 光散射2 非弹性光散射 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。

  30. 光散射3 非弹性光散射 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 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

  31. 布里渊散射1  反射光 kS kL入射光 q 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。 声波、玻色子（声学声子、磁振子）

  32. 布里渊散射2   L 位置可调 位置固定 Brillouin散射谱 Brillouin散射谱的测量 Rayleigh cm-1 10-4 10-5 多通Fabry－Perot干涉仪（FPI） Brillouin cm-1 1.0 0.5 Raman 对比度： cm-1 自由光谱区 500 1000

  33. 布里渊散射3 Brillouin散射谱 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

  34. 布里渊散射4 Brillouin散射谱 Brillouin散射谱的应用 声学声子 • 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 磁振子 表面磁振子

  35. 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

  36. 磁二色谱1 磁二色谱研究的起源 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

  37. 磁二色谱2 磁二向色性 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 nickelJ. 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.

  38. 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L2, 3（2p3d）、4fRE稀土元素的M4, 5 （3d4f） 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

  39. 磁二色谱4 磁二色谱的产生条件 1、样品对于光有吸收： 磁光Faraday效应、磁光Kerr效应：无吸收 ？ MDPE: Magnetic Dichroism PhotoEmission 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 can exist, if there is no space-symmetry operation which reverses the magnetization only but leaves the system unchanged otherwise.

  40. 磁二色谱5 RCP RCP 物理 化学 z LCP LCP k E s p 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： 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 2、磁二色谱的表示方法： photoelectron photocurrent MCD：吸收峰强度：A，AAL－AR 吸收系数：k，k  kL－kR MLD：椭圆度：[]M

  41. 磁二色谱6 据说 磁二色谱 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： • 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

  42. 磁二色谱7 磁二色谱的理论处理 Fermi’s Golden Rule：跃迁几率 跃迁几率 平面波 Wigner－Eckart Theorem：角动量耦合 考虑偏振q： 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 A：L3强度，B：L2强度

  43. 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

  44. 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： 特征谱线 芯电子能级未占据能级：l＝l’－l＝ ± 1

  45. 磁二色谱10 预备知识 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）

  46. 磁二色谱11 预备知识 元素分辨 连续光 X－射线的产生与吸收 Moseley定律 O N M L L L I 电子能级 n K1 K2 K K  K K K XMCD/XMLD XRD

  47. 磁二色谱12 X－射线与同步辐射光 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 E RCP

  48. 磁二色谱13 预备知识 能级跃迁几率与选择定则 n＝1， 2， 3， 4， K，L，M，N， n2S+1LJ 原子能级 n2s+1lj 光谱项符号 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, -l j＝ l ± 1/2 mj＝j, j-1, …, -j+1, -j 电子态表示：

  49. 磁二色谱14 预备知识 电子在原子中的标识：

  50. 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＝ 0，±1； mj＝0， ±1

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