磁性测量概论课件.ppt

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目的12谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 概 论能够测量什么量？现 有 能 力潜 在 能 力怎么测量这些量？标准、规程原理、方法如何保证正确性？量 值 溯 源量 具 检 定计 量Metrology计 量Metrology23谢谢观赏2019-9-13磁 性 磁性的起源：原子 磁矩未 成 对 电 子电 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

2、矩：N原 子 磁 矩电子磁矩原子核磁矩Pauli不相容原理Hund 法则固有34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 子Pauli不相容原理Hund 法则固有35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交换相互作用间接直接 超量子力学效应全同粒子46谢谢观赏2019-9-13磁 性 物质的磁性（内禀）电 子 磁 性原子核磁性晶态系统非晶态系统磁微粒系统磁稀释系统共线非共线磁无序抗磁性顺磁性抗磁性顺磁性顺磁性顺磁性核抗磁

3、性核顺磁性（核磁性）磁有序铁磁性非共线铁磁性散铁磁性超铁磁性自旋玻璃（玻磁性）核铁磁性反铁磁性非共线反铁磁性散反铁磁性超反铁磁性混磁性核反铁磁性亚铁磁性非共线亚铁磁性散亚铁磁性？核亚铁磁性超 顺 磁 性57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68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 中子散射？Mssbauer谱？间接测量单原子：假设、计算统计平

4、均：总体平均原子核磁矩？再谈9谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 磁性测量原则各种谱物质力、声热电磁光粒子人8盘点我们的本事10谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 磁性测量原理宏观物理效应微观物理效应磁 共 振 效 应电磁感应原理磁矩测量磁场测量磁通测量间接测量直接测量911谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 电磁感应原理面积A磁通量0 DtBE0 Bt DjH0SBdS1012谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 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）各项异性磁致电阻效应（AMR）磁致隧道效应(TMR)一般磁

5、致电阻效应（OMR）回旋共振（载流子、离子）Shubnikovde Haas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：磁光磁线振二向色性磁圆振二向色性Faraday效应磁双折射效应CottonMouton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1214谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 物理效应之三：磁力（声）磁振子声子相互作用磁声

6、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Einsteinde Hass效应Barrett效应1315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1416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1517谢谢观

7、赏2019-9-13磁 性 测 量 磁相关共振亚铁磁共振（FiMR）反铁磁共振（AFMR）铁磁共振（FMR）电子顺磁共振（EPR）电子自旋共振（ESR）核磁共振（NMR）Mssbauer效应自 旋 共 振Zeeman能级回 旋 共 振Landau能级回旋共振（载流子、离子）16SR18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1719谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 磁性测量:传统 仪 器被 测 量测 量 量 具均 匀非 均 匀磁通稳恒磁场磁场传感器（Hall片、单线圈）Hall片、双线

8、圈交变磁场Hall片、多线圈杂散磁场 磁 场 传 感 器、磁 通 量 具、磁通门磁 矩各 类 磁 强 计1820谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 磁性测量:传统 仪 器信号发生信号变换电磁感应空间变化振动样品、提拉样品、冲击法、SQUID磁强计时间变化动态磁性测量仪、永磁材料测试仪物理效应光SMOKE、磁圆（线）振二向色性电交、直流电输运力磁转矩、磁秤、交变梯度磁强计磁 共 振稳恒磁场微波磁场ESR、FMR、AFMR、NMR、Mssbauer谱回旋共振1921谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 磁性测量:传统 仪 器信号采集信 号 采 集 方 法仪 器 设 备信 号 放 大 方

9、法探测线圈振动样品磁强计锁相放大器提拉样品磁强计积分放大器SQUID磁强计SQUID放大器冲击法光电检流计悬丝扭矩、杠杆失衡转矩仪、磁秤光敏电阻、压电晶体梯度线圈、压电晶体电压交变梯度磁强计压电晶体、前置放大器极化光偏振方向、检偏器SMOKE光电变换器、前置放大器电阻应变片应变、激光行程磁致伸缩仪电阻应变器、前置放大器（微波）能量吸收各类共振仪器各种RF放大器2022谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 磁性测量:传统 仪 器信号传输信号存储信号处理与 天 斗其乐无穷与 地 斗其乐无穷2123谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 磁性测量：虚拟 仪 器（VI）传统仪器传统仪器厂商厂商定

10、义功能定义功能虚拟仪器虚拟仪器用户用户定义功能定义功能PROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMPROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMControl PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature2224谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 磁性测量：虚拟 仪 器Virt

11、ual Instrumentation-Computer Based Instruments2325谢谢观赏2019-9-13磁 性 测 量 磁性测量：虚拟 仪 器24待发展26谢谢观赏2019-9-13虚 拟 仪 器 系 统 (引用)GPIBSerialDAQProcessorUnit Under TestVXIImage AcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&Driver Software Measurement Studio LabVIEW2527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

12、属的性能Magnetism：phenomena associated to magnetic field28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1.粒子磁矩：质子、中子、电子、介子；原子、离子；分子、原子团、颗粒2.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3.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4.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v 自由粒子的磁矩

13、：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 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

14、 the most beautiful experiments in physics （Robert P Crease,纽约石溪分校）1.SternGerlach实验（1922年）：电子自旋2.MichelsonMorley实验（1887年）：光传播3.Cavendish实验（1776年）：空球壳的电荷分布、电荷作用4.WeberKohlrausch实验（1856年）：静止电荷与运动电荷关系5.吴健雄实验（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v 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

15、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v 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v 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：Mssba

16、uer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、SR32谢谢观赏2019-9-13磁结构与相互作用v 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；（

17、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”MTHM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v

18、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61、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构36谢谢观赏2019-9-13磁结构与相互作用v 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v 磁偶极作用？微观磁偶极作用：理论？M方法？磁共振（也许）v 磁超精细作用解决v 自旋轨道耦合？37

19、谢谢观赏2019-9-13各种磁场的测量v 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、NMR2、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：生物体磁场：SQUID、磁通门磁强计磁通门磁强计38谢谢观赏2019-9-13各种磁场的测量v 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

20、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v 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40谢谢观赏2019-9-13宏观磁性能的测量v 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（F

21、araday、Kerr、XMD）：基本解决光磁效应：有待研究v 交流磁性能解决比较好v 光频磁性能41谢谢观赏2019-9-13自旋极化率的测量v 自旋极化率的定义再谈122、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？v 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transportP()()()()FFAndreevFFNENEPNENEVI超导体VIB42谢谢观赏2019-9-13动态磁化过程v 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：

22、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v 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v 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显微镜（SMRM）

23、：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谢谢观赏2019-9-13磁成像技术v 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

24、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v 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-polariz

25、ed 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2019-9-13磁成像技术v 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

26、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v 热激活、压力、外磁场引起的相变再谈181、宏观磁性测量：磁化率温度、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v 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v 目前状态正在探索再谈191、可进行宏

27、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、SEMPA49谢谢观赏2019-9-13本次讲座涉及的内容50谢谢观赏2019-9-13本次讲座涉及的内容专 题系统介绍原理、功能、操作：VSM、超导量子磁强计、多功能物性测量系统磁场产生、测量永磁体、电流磁铁、超导磁体、脉冲磁场电磁感应原理冲击法、SQUID磁强计、VSM、ESM、奇点探测法磁力学原理磁天平、磁转矩、交变梯度磁强计回转效应磁光效应Faraday效应、Kerr效应、磁二色谱PEEM光散射Brillouin散射光谱磁共振ESR、FMR、AFMR、FiMR、NMRMssbauer效应磁成像技术概貌（原理、发展）磁畴观测磁结构磁二色谱、宏观磁性测量中子衍射自旋极化率简介动态磁化过程概貌（原理、要求、现状）The End51谢谢观赏2019-9-1352谢谢观赏2019-9-13