-新型X射線時間分辨磁動力學(xué)表征技術(shù)問世

X光與磁性薄膜作用過程示意圖
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上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院張石磊課題組在時間分辨軟X射線散射方法學(xué)上獲重要進展，開發(fā)出基于同步輻射X射線“反射率鐵磁共振”技術(shù)。該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于研究磁性薄膜材料中的磁振子結(jié)構(gòu)及自旋波的性質(zhì)。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《物理評論快報》，期刊還特別配以專題評述文章。
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磁性薄膜是磁學(xué)領(lǐng)域中被廣為研究的材料體系之一，研究磁性薄膜自旋動力學(xué)性質(zhì)的重要實驗方法是鐵磁共振。有限厚度的磁性薄膜材料，尤其是人工超晶格多層膜材料，在物理上是一個三維體系。然而，長期以來，在理論上這些薄膜多被處理為二維體系，在第三個維度（厚度方向）的研究開展甚少。因此，對于薄膜厚度方向磁振子的研究將為磁性薄膜材料領(lǐng)域提供新的視角和觀點。
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基于這一關(guān)鍵科學(xué)問題，張石磊課題組致力于開發(fā)基于同步輻射軟X射線的新手段用于表征磁性薄膜的三維磁動力學(xué)性質(zhì)。這一手段的研發(fā)著手于一個簡單的實驗：X光反射率 (XRR)。當(dāng)X光入射到含有界面的材料中（如多層膜）時，因為不同界面間距離導(dǎo)致了光程差，產(chǎn)生了在不同入射角下相干效應(yīng)——即反射率隨入射角的變化關(guān)系。這一效應(yīng)常被用作標(biāo)定薄膜厚度的方法。換而言之，在不同入射角下，XRR能夠反映薄膜材料不同深度的信息。另一方面，磁旋二色（XMCD）效應(yīng)是表征磁性材料的基本譜學(xué)方法。將XMCD效應(yīng)應(yīng)用在XRR實驗上將獲得對于薄膜材料厚度方向靜態(tài)磁結(jié)構(gòu)的分辨。
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在實現(xiàn)了磁旋二色的基礎(chǔ)上，研究人員進一步增加了動力學(xué)模式，即利用入射X光35ps線寬，500MHz頻率的特性，利用驅(qū)動X光的微波引發(fā)樣品鐵磁共振，同時探測的X光用XMCD-XRR的方式去測量某一個“凍結(jié)”時刻的三維磁結(jié)構(gòu)。通過一系列頻閃觀測的方法，研究團隊成功的重構(gòu)出薄膜材料不同深度下的時間分辨共振過程。研究人員發(fā)現(xiàn)，即便在經(jīng)典的二維多層膜材料中，體系依然呈現(xiàn)出深度依賴的共振模式。宏觀上看，體系在共振時從底層至頂層集體進動存在漸變的相位差，形成沿著厚度方向傳播的自旋波。
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“這一圖像打破了對傳統(tǒng)的磁性薄膜體系的認知，揭示了薄膜體系中磁振子存在垂直動量方向的色散關(guān)系的事實?！睆埵诮淌诟嬖V《中國科學(xué)報》，反射率鐵磁共振技術(shù)具有很好的普適性，為凝聚態(tài)磁學(xué)和自旋電子學(xué)的研究提供了全新的方法學(xué)。
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據(jù)悉，上海科技大學(xué)是該工作的主要完成單位之一，張石磊為通訊作者。該工作與英國鉆石光源、中科院物理所磁學(xué)國家重點實驗室、同濟大學(xué)和牛津大學(xué)共同合作完成。



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