磁渦旋態

具有磁禍旋疇結構的納米顆粒所呈現的結構狀態。磁渦旋態(magneticvortex)是一種基本的磁結構。

基本介紹

• 中文名：磁渦旋態
• 外文名：Magnetic vortex state
• 拼音：cí wō xuán tài
• 學科：物理學
• 別名：磁渦旋結構、超磁疇結構
• 適用範圍：自旋電子學

定義

磁渦旋態(magneticvortex)是一種基本的磁結構，該結構可以在微米或納米級尺寸的鐵磁薄膜單元器件中形成磁渦旋態的中心位置存在一直徑約為10nm的渦核區域，該區域中心處磁矩垂直膜面向上(p=1)或向下(p=−1)，通過渦核極性p(polarity)的取值來表征;渦核區域之外的磁矩倒向面內圍繞渦核順時針(C=−1)或逆時針(C=1)方向捲曲，通過手征特性C(chiral-ity)的取值來表征。與磁矩均勻分布的單疇結構相比，磁渦旋結構可以展示較為豐富的自旋波激發頻譜。頻譜對應的自旋波模式可包括低頻旋轉回歸模式、高頻類放射狀模式、類方位角模式等自旋波的激發模式可通過實驗手段進行探測，常用的實驗技術包括：布里淵光散射、時域的克爾效應，X射線技術等。此外，微磁模擬技術也是研究磁性薄膜中自旋波激發的一種重要手段。在實驗受限的情形下，微磁模擬技術有助於揭示磁性材料局域磁矩的靜態分布及其動力學演化過程，已成為設計與研發磁性材料器件的必備工具。

觀察方法

利用掃描透射X射線顯微鏡觀測磁渦旋結構。磁性材料在費米面附近自旋向上和向下的電子態密度不同，受躍遷選擇定則的限制，對左旋和右旋偏振的X射線吸收強度不同，即磁圓二色效應該效應的強弱與受測點磁矩在X射線傳播方向的投影成正比。因此，對樣品上的每一點，分別探測它對左旋光和右旋光的吸收強度，即可獲得該點的磁。掃描透射X射線顯微鏡的空間解析度受波帶片的限制，約為30nm。X射線經由變包含角平面光柵單色器單色化後，通過狹縫，然後由波帶片聚焦，通過級選光闌後照射到樣品上。經樣品透射後的X射線強度由探測器進行測量;電機控制樣品在焦平面上進行二維平移，對樣品進行逐點成像。樣品面(紅色平面)與焦平面(藍色平面)夾角為20◦，樣品上各點的磁矩在X射線傳播方向的投影為sin20◦原則上，夾角越大，磁矩的面內分量信號更清晰，通過改變X射線的偏振方向，分別用右旋光和左旋光對樣品進行掃描透射成像，從兩次得到的透射顯微圖像中去除樣品形貌信息，得到樣品的磁學顯微圖像。

套用

生物醫用滋巧旋態Fe3O4納米搞球顆粒

磁性納米顆粒是指W鐵磁性、亞鐵磁性材料為基礎製備合成的、空間H維尺寸中至少有一維處在0-100nm之間的磁性晶粒。常見的有金屬Fe，Co，Ni及輿合金，鐵氧化物，鐵氧體等顆粒和塊狀的磁性材料不同，處在納米尺度的磁性顆粒由於納米尺寸和表面效應，使得其具有許多的新奇的特性，比如：具有較大的比表面積、磁學性質的尺寸形狀依賴性、表面易功能化修飾及具有多樣化的磁拓撲結構等。通過把磁性納米顆粒這些恃有的物理化學性能套用到生物學和醫學相關的領域中，范向載藥及藥物磁控釋放、生物細胞和蛋白的磁性分離與檢測磁共振成像抗腫瘤磁熱治療等生物醫學領域，使得磁性納米顆粒在這些領域展現出了顯著的套用前景和價值，成為研究人員關注的焦點之一。

癌症是我們生命健康的最大威脅之一，雖然當前治療癌症的方法很多，比如：通過直接實施手術切除，通過放射線療法或常規藥物治療等，然而這些方法都存在自身的局限性。近年來，藉助磁性納米顆粒的磁熱性能興起的磁靴向熱療方法在抗腫瘤治療領域開始嶄露頭角，並引起越來越多的關注。腫瘤細胞，相比於人體組織中的正常細胞，有一個很大的缺點，即：對周圍組織環境的溫度變化具有非常強的敏感性。通常，當腫瘤病變組織周圍的溫度處在43~45攝氏度範圍時，腫瘤細胞便會出現大量調的現象。而在動態交變磁場的作用下，磁性納米顆粒的磁熱性能，正好迎合了腫瘤細胞的這一缺陷，這為其在抗腫瘤磁熱領域的套用創造了一個契機。作為產熱媒介，在動態磁化過程中，磁性納米顆粒會受到各種能量損耗的影響，比如：由於磁滯引起的能量損耗、由於疇壁的共振及鍋流的形成所導致的能量損耗等等，進而導致撼性納米顆粒將外加磁場提供的能量吸收，並將其熱能的形式在腫瘤病變部位釋放，導致腫瘤病變部位相比其他位置較為快速的形成局部溫度較高的高溫區，從而迅速破壞腫瘤細胞的結構，最終使其因溫度過高而出現大量地調亡。如果同時在納米顆粒的表面載入相應的一些抗癌藥物，通過雙管齊下的方式，還能使腫瘤病變組織實現由磁祀向藥物治療和磁熱療帶來的雙重治療效果。

軟磁Ni80Fe20薄膜單元中的磁渦旋態

在多晶軟磁材料(如Co,Ni,Fe或Ni80Fe20)的圓盤形、三角形、正方形等旋轉對稱性強的薄膜單元中,通常會形成一種奇特的磁疇結構———磁渦旋(magnetic vortex)結構(也稱為超磁疇結構)。在這些薄膜單元中,磁化強度趨向於沿著薄膜面內成渦旋狀閉合排列，而在圍繞薄膜單元中心很小的範圍內,磁化強度會沿面外取向,即渦旋核(vortex core)。磁渦旋結構通常可用兩個布爾數學參數來描述,即手征性和核的極性。手征性由磁矩沿著渦旋核旋轉的方向來定義,或順時針旋轉,或逆時針旋轉。核的極性由渦旋核中心磁化強度的取向來確定,或指向渦旋面外，或指向渦旋面內。根據手征性和極性的排列組合,一個磁渦旋結構可能具有4種不同的剩磁態。如果將它作為未來的磁信息存儲單元，那么一個磁渦旋結構就可同時存儲兩個比特信息，因此，它很有潛力成為下一代磁隨機存儲器(MRAM)的基本單元。

通過高分辨MFM的研究,在由模板偏移而形成的“花生形”Ni80Fe20薄膜單元中能清晰地看到渦旋核的存在。由於兩種不同極性的磁渦旋核在能量上的等價性,在樣品的剩磁態可同時觀察到兩種不同取向的磁渦旋結構。經過磁渦旋核的輪廓線表明,高分辨MFM直接測量的磁渦旋核寬度僅為40 nm左右。

橢圓納米盤中的磁渦旋態

磁渦旋結構的激發模式受樣品幾何形狀對稱性、套用場激發方式以及磁渦旋之間的偶極相互作用的影響較大。由於理論解析的困難，除了對稱性較高的圓形結構，其他構型下有磁渦旋激發模式的理論仍不夠完善。迄今為止，大部分的研究都集中在受限於圓形或方形薄膜樣品中的單個磁渦旋與具有圓柱形對稱的圓形樣品相比，方形樣品中的磁渦旋具有四重對稱性，對稱性的降低導致激發模式的不同，例如，放射狀模式可被離散為三角形模式。為了理解降低的對稱性對自旋波激發模式的影響，藉助於與傅立葉分析方法相結合的微磁模擬技術，選擇具有兩重對稱性的鐵磁薄膜橢圓盤樣品作為研究對象。具有亞微米尺寸的鐵磁薄膜橢圓盤樣品中可生成單個磁渦旋或磁渦旋對結構。基於該類型的樣品，已研究了二維情形下磁渦旋對之間的偶極相互作用對磁渦旋激發模式的影響以及三維情形下樣品厚度對單個磁渦旋激發模式的影響本文主要介紹二維情形下單個磁渦旋方位角自旋波激發模式的物理機理。研究結果將會進一步促進磁渦旋激發模式理論的完善與發展。