磁化動力學

隨著物體在運動過程中不斷的變化，退磁程度相應增大，磁化恢復時間也相應延長。所產生的現象及發展的狀況即磁化動力學。

基本介紹

• 中文名：磁化動力學
• 外文名：Magnetization kinetics
• 分類：科學

磁光薄膜飛秒雷射感應超快磁化動力學

利用時間分辨磁光克爾光譜技術，研究TbFeCo磁光薄膜飛秒雷射感應超快磁化動力學過程。觀測到亞皮秒的超快退磁過程，符合“三溫度”模型中由電子－自旋散射引起的超快退磁機制。磁化動力學的激發功率流密度依賴關係結果表明，隨著激發功率流密度的增大，超快退磁程度增加和磁化恢復時間延長，符合“三溫度”模型的解釋。在襯底厚度不同的TbFeCo樣品對比實驗中發現，同功率流密度激發下襯底較薄的樣品退磁程度更高，磁化恢復速率更快。

磁化動力學的激發功率流密度依賴關係

運用飛秒時間分辨磁光克爾光譜技術測量 TbFeCo樣品，在相同飽和外磁場下的同激發功率流密度的雷射感應超快磁化動力學。實驗測得樣品在不同激發功率流密度下都具有亞皮秒的超快退磁時間，幾百皮秒的磁化恢復時間，此結果符合 “三溫度”模型的解釋。根據 “三溫度”模型，雷射激發的能量首先被電子吸收，導致電子溫度急劇升高，接著熱電子通過電子－自旋相互作用將部分能量傳遞給自旋系統，導致自旋溫度在亞皮秒內快速升高，自旋系統溫度的升高導致巨觀磁化強度的減小，即發生超快退磁化現象。其後隨著電子－晶格和自旋－晶格相互作用，電子和自旋系統的能量逐漸向晶格系統轉移，在較短的時間內三者達到平衡，進而以一致的溫度向環境耗散能量。隨著冷卻的進行，熱化自旋向初始溫度弛豫，磁化態將逐步恢復，對應超快退磁化後的一個較長時間尺度內的磁化恢復過程。

隨著功率流密度的增大，退磁程度相應增大，磁化恢復時間也相應延長。從微觀角度看，可以參照“三溫度”模型進行理解：退磁化程度在起源上依賴於光激發熱電子數量，初始激發的能量越高，自旋系統通過電子－自旋相互作用獲得的能量越多，自旋溫度升高得越高，相應的退磁化程度就會越高。而磁化恢復過程主要由自旋－晶格弛豫控制，受到晶格熱擴散進程的影響，因而在較高的激發能量下磁化恢復時間也會較長。從巨觀角度看，可以參照相應的唯象理論來理解：在激發功率流密度較低的情況下，局部磁矩的鐵磁有序並未完全破壞，隨著晶格溫度降低，磁疇擴張進行，因此磁矩慢慢恢復；當激發功率流密度增大，樣品退磁程度增加，局部磁矩從接近鐵磁淬滅態恢復到未激發前的基態，必須先經歷一個局域鐵磁晶核的重組過程，之後才會出現類似低激發功率流密度下的磁疇擴張過程，因而導致高激發功率流密度下磁化恢復時間偏長。

襯底厚度不同的樣品磁化動力學

為了研究襯底厚度對樣品雷射感應超快退磁和磁化恢復過程的影響，促進記錄介質的最佳化和改進，測量了在5mJ/cm2 的泵浦光功率流密度下，襯底厚度不同的兩塊 TbFeCo樣品的飛秒雷射感應的超快磁化動力學過程示。襯底厚度不同的 TbFeCo樣品均呈現亞皮秒的超快退磁過程以及幾百皮秒的磁化恢復慢過程，這兩個過程都可以按上文的 “三溫度”模型給予解釋，也再次說明 TbFeCo磁光薄膜樣品具備雷射感應超快退磁和磁化恢復的特點。

首先對比兩塊樣品的退磁化程度，可以發現襯底厚度較小的樣品的退磁化程度較大。這是因為襯底較薄的樣品，雷射脈衝直接作用在 TbFeCo層上的能量較多，磁性原子的電子吸收光子能量較充分，能夠傳遞給自旋系統的能量也相應較多，因此超快退磁化程度相對較大。其次對比兩塊樣品的磁化恢復速率，可以發現襯底厚度較小的樣品雖然退磁化程度較大但其磁化恢復速率也較快。此結果可以從襯底熱吸收和擴散的角度來定性理解：對於磁化恢復過程，主要依賴於晶格－自旋弛豫作用，而襯底厚度影響著晶格系統向外界環境的熱傳遞過程，襯底較薄的樣品比較厚的樣品的晶格冷卻速率更快，也即導致磁化恢復速率較快。磁光薄膜的超快退磁化和磁化恢復是一個受材料結構等多參量影響的過程，雖然退磁化程度和磁化恢復速率還受到其他因素的限制，但單從樣品襯底厚度這一角度對比討論，結果具有一定的合理性和指導意義。

由於襯底厚度對於磁光薄膜樣品的退磁以及磁化恢復動力學過程有著直接的影響，因此在材料的結構組成以及基本磁光性能相近的情況下，優選襯底厚度較小的樣品有利於提高退磁化程度，提高退磁化速率，縮短磁化恢復時間。

稀土元素摻雜對超快磁化動力學影響

利用飛秒時間分辨泵浦 － 探測磁光克爾光譜對摻雜不同濃度稀土元素 Tb 的 Heusler 合金 Co₂ FeAl_0.5 Si_{0. 5}( CFAS) 磁性薄膜的磁各向異性和超快退磁動力學進行了研究。發現較低濃度 Tb 摻雜的樣品出現磁化進動振盪，而較高濃度 Tb 的樣品無磁化進動振盪，最高濃度的樣品只有一個零點峰，表明不同 Tb 濃度的樣品具有不同的磁各向異性。從無進動磁化動力學曲線上觀察到樣品的退磁過程都是兩步退磁，第一步快的退磁化過程源於過渡金屬 ( CoFe) 的 3d 磁矩的超快退磁化，而第二步較慢的退磁化反映的是 Tb 元素的 4f 磁矩通過 3d－ 5d6s － 4f 耦合的退磁化過程。結果表明可以通過控制摻雜 Tb 濃度來達到調控 CFAS 的磁各向異性目的。這種Tb 摻雜的離面磁化的 CFAS 合金薄膜在自旋電子器件製作中具有巨大套用潛力。

樣品製備

共製備了 8 個樣品： CFAS40W /Tb1W，CFAS40W /Tb2W，CFAS40W /Tb3W，CFAS40W/Tb4W，CFAS40W/Tb5W，CFAS40W/Tb6W，CFAS40W/Tb8W 和 CFAS40W/Tb10W。樣品的Tb 摻雜濃度依次增加。

磁各向異性的磁化動力學表征

首先希望判斷8 個 Tb-CFAS 樣品的磁各向異性是否隨 Tb 摻雜濃度變化而變化。更具體地說判斷 Tb-CFAS 是否可能從面內磁化變為離面磁化。所以，開展了施加離面外加磁場下的磁化動力實驗研究，因為這種技術容易判斷樣品是面內或離面磁化。面內磁化樣品的動力學應該會出現自旋進動振盪，而離面磁化樣品則不會。

在相同的 7. 5 mJ /cm2 泵浦能流和 4 kOe近垂直樣品面施加外磁場下測量。可以清楚地看到磁化動力學隨 Tb 摻雜濃度 ( 正比濺射功率) 的變化。3 個低 Tb 摻雜濃度 ( Tb 1 ～ 3 W) 的 Tb-CFAS樣品呈現磁化進動振盪，但振盪幅度和頻率都隨Tb 濃度增加而減小。4 個較高 Tb 摻雜濃度 ( Tb 4～ 8 W) 的 Tb-CFAS 樣品的磁化動力學沒有進動振盪，但其退磁化過程 ( 延遲零點附近克爾信號從零變為最大的過程) 呈現兩步過程。首先是一個快速退磁過程，然後跟著一個較慢的退磁過程。最後，Tb 摻雜濃度最高 ( Tb 10 W) 的 Tb-CFAS 樣品，其磁化動力學僅在延遲零點附近呈現一個尖峰。磁化進動振盪動力學的出現最直觀的表明樣品是面內磁化的，因為進動起源於泵浦光激發樣品後，樣品內的總有效磁場偏離了原來磁化方向。總有效磁場等於離面外磁場與磁晶各向異性場的矢量和。光激發通常只能改變磁晶各向異性場的大小，所以，只有面內磁晶各向異性場的大小變化才能導致有效磁場的方向變化。因此，得出結論： 觀察到進動磁化動力學的三個 Tb-CFAS樣品仍然保持面內磁化。而進動振盪幅度隨 Tb 摻雜濃度增加而變小，表明 Tb-CFAS 樣品的面內磁晶各向異性隨 Tb 摻雜濃度增加而變小。四個較高Tb 摻雜濃度的 Tb-CFAS 樣品的動力學沒有出現振盪，而呈現兩步退磁過程，這是垂直磁化稀土 － 過渡金屬 ( RE-TM ) 薄膜的典型超快退磁化特徵。

兩步退磁過程的起源

RE-TM 非晶體合金薄膜，如 GdFeCo 和 TbFe-Co 的磁性質在已被廣泛研究，而超快磁化動力學在近十多年也被研究。已經知道RE 與 TM 之間是反鐵磁耦合的。800 nm 波長探測光測量的磁光克爾信號主要反映的是過渡金屬的3d 電子磁矩變化。Tb 元素的磁矩主要由內層的4f 電子貢獻，但 800 nm 波長探測光不能直接探測到 4f 能級電子磁矩，只能直接探測外層 5d6s 電子磁矩，但 5d6s 電子磁矩只占 Tb 元素磁矩的 3% 。所以，Tb 元素和 TM 反鐵磁耦合時，4f 磁矩是通過 5d6s － 4f 耦合參與的。文獻正是基於這種模型解釋了在 GdFeCo 薄膜中觀察的兩步退磁化過程。認為第一步超快退磁化過程起源於泵浦雷射感應的 TM 的 3d 磁矩退磁化，而第二步較慢退磁化過程正是反映了 4f 磁矩通過 5d6s － 4f 耦合的退磁化過程。文獻還發展了一個四溫度模型來理論模擬計算超快磁化動力學過程。