磁性测量概论课件.ppt

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1、磁 性 测 量 概 论（共 50 页）,磁 性 磁 性 测 量,1,谢谢观赏,2019-9-13,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,1,2,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量 概 论,2,3,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性,磁性的起源：原子 磁矩,未 成 对 电 子,固有,3,4,谢谢观赏,2019-9-13,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

2、 子,Pauli不相容原理Hund 法则,固有,3,5,谢谢观赏,2019-9-13,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,4,6,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性,物质的磁性（内禀）,5,7,谢谢观赏,2019-9-13,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,6,8,谢谢观赏,2019-9-13,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

3、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,9,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,磁性测量原则,8,盘点我们的本事,10,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,磁性测量原理,间接测量直接测量,9,11,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,电磁感应原理,面积A,磁通量,10,12,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,物理效应之一：磁电,11,磁场中的电输运,13,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,物理效应之二：磁光,12,14,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,物理效应之三

4、：磁力（声）,13,15,谢谢观赏,2019-9-13,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,14,16,谢谢观赏,2019-9-13,磁场敏感器件,磁 性 测 量,物理效应之五：磁磁,15,17,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,磁相关共振,16,SR,18,谢谢观赏,2019-9-13,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,17,19,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,磁性测量: 传统 仪 器,18,20,谢谢观赏,2019-

5、9-13,磁 性 测 量,磁性测量: 传统 仪 器,19,21,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,磁性测量: 传统 仪 器,信号采集,20,22,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,磁性测量: 传统 仪 器,21,23,谢谢观赏,2019-9-13,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,22,24,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性 测 量,磁性测量：虚拟 仪 器,Virtual Instrumentation- Computer Based Instruments,23,25,谢谢观赏,2019-9-13,磁 性

6、测 量,磁性测量：虚拟 仪 器,24,待发展,26,谢谢观赏,2019-9-13,25,27,谢谢观赏,2019-9-13,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,28,谢谢观赏,2019-9-13,什么是 “磁性”,（ZHAO）不仅仅是：Magnetic 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、

7、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,29,谢谢观赏,2019-9-13,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（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 experime

8、nt (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（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

9、健雄实验（1956年）：弱相互作用的宇称不守恒 ,蓝色：另有专题,30,谢谢观赏,2019-9-13,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）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：,31,谢谢观赏,2019-9-13,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

10、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,32,谢谢观赏,2019-9-13,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

11、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,33,谢谢观赏,2019-9-13,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,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

12、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,34,谢谢观赏,2019-9-13,一个人的能力不在于 学会了 多少知识而在于 学会了 使用 多少知识,35,谢谢观赏,2019-9-13,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

13、性）说明材料整体处于何种磁结构,36,谢谢观赏,2019-9-13,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？,37,谢谢观赏,2019-9-13,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）

14、,生物体磁场：SQUID、磁通门磁强计,38,谢谢观赏,2019-9-13,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,39,谢谢观赏,2019-9-13,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

15、，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,40,谢谢观赏,2019-9-13,宏观磁性能的测量,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,41,谢谢观赏,2019-9-13,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

16、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,42,谢谢观赏,2019-9-13,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（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,43,谢谢观赏,2019-9-13,磁成像技术,杂散磁场成像：限于物体表面,再谈1

17、4,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,44,谢谢观

18、赏,2019-9-13,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 Effect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）,45,谢谢观赏,2019-9-13,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 Ele

19、ctron 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 Magnetic Microscopy，自旋相关的电子散射（弹道电流强弱）,46,谢谢观赏,2

20、019-9-13,磁成像技术,磁矩成像：表面,再谈17,光电发射电子显微术（PEEM）：Photoemission Electron Microscopy基于磁二色谱的方法,光电子（photoemitted electrons）：磁二色谱,磁圆二色谱(MCD)：Magnetic Circular Dichroism M 磁线二色谱(MLD)：Magnetic Linear Dichroism M2,磁二色谱：自旋极化相关的光吸收谱,目前可以进行反铁磁磁畴观测的唯一手段？,47,谢谢观赏,2019-9-13,磁性相变的测量,热激活、压力、外磁场引起的相变,再谈18,1、宏观磁性测量：磁化率温度、

21、磁场、压力关系；2、磁共振效应：ESR，FMR，NMR，Mssbauer效应3、磁光效应：磁光Faraday效应、磁光Kerr效应、磁二色谱4、磁性散射：中子衍射,自旋波激发磁振子,1、铁磁共振：非一致进动的自旋波模式；2、Brillouin光散射：自旋波、声波声子；3、磁性散射：中子衍射,48,谢谢观赏,2019-9-13,小尺度系统的磁性,目前状态正在探索,再谈19,1、可进行宏观（总体）磁性测量：统计平均。,2、小尺度系统的特点与要求：,具有空间分辨能力，可以研究小尺度本身的磁性；必须具有很高的磁性信号灵敏度；最好具有时间分辨能力，可以研究动态过程；,较高的空间分辨率、磁矩敏感的磁性测量技术：(候选）,SHMOKE、XMCD/XMLD（PEEM）、电子全息、SEMPA,49,谢谢观赏,2019-9-13,本次讲座涉及的内容,50,谢谢观赏,2019-9-13,The End,51,谢谢观赏,2019-9-13,52,谢谢观赏,2019-9-13,