磁 性 测 量 概 论 （共 50 页） 磁 性 磁 性 测 量

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 磁 性 测 量 概 论 目的 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

磁 性 测 量 概 论 能够测量什么量 ？ 怎么测量这些量 ？ 如何保证正确性 ？ 现 有 能 力 潜 在 能 力 标准、规程 原理、方法 2 磁 性 测 量 概 论 计 量 Metrology 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

磁 性 磁性的起源：原子 磁矩 固有 未 成 对 电 子 3 原 子 磁 矩 ＝电子磁矩＋原子核磁矩 Pauli不相容原理＋Hund 法则 磁 性 磁性的起源：原子 磁矩 固有 未 成 对 电 子 电 子 电荷：－e 自旋：  ½ 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 Pauli不相容原理＋Hund 法则

磁 性 磁性的起源：原子 磁矩 固有 未 成 对 电 子 3 原 子 磁 矩 ＝电子磁矩＋原子核磁矩 Pauli不相容原理＋Hund 法则 磁 性 磁性的起源：原子 磁矩 固有 未 成 对 电 子 原 子 核 电荷：＋e 自旋：  1 磁矩：  N Hided 原 子 磁 矩 ＝电子磁矩＋原子核磁矩 电 子 电荷：－e 自旋：  ½ 磁矩： 自旋磁矩＋轨道磁矩 Pauli不相容原理＋Hund 法则

4 磁 性 磁有序的起源：交换相互作用 量子力学效应 全同粒子 交换相互作用 间接 直接 超 无交换相互作用

磁 性 物质的磁性（内禀） 5 超 顺 磁 性 电 子 磁 性 原子核 磁性 晶态系统 非晶态 系统 磁微粒 磁稀释 共线 非共线 磁无序 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 磁稀释 共线 非共线 磁无序 抗磁性 顺磁性 －－ 核抗磁性 核顺磁性 （核磁性） 磁 有 序 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 散反铁 超反铁 混磁性 核反铁 亚铁磁性 散亚铁 ？ 核亚铁 超 顺 磁 性

磁 性 物体的磁性（表观@内禀） 物理原理决定 制备工艺相关 6 尺寸效应（退磁因子） 结 晶 状 态 （天体基本粒子） 显 微 结 构 磁 性 物体的磁性（表观@内禀） 物理原理决定 制备工艺相关 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

磁 性 测 量 磁性测量的现状 一、直接测量原子的磁矩 二、间接测量原子的磁矩 7 原子核磁矩？ 真正测量单原子：磁圆（线）振二向色性 磁 性 测 量 磁性测量的现状 原子核磁矩？ 一、直接测量原子的磁矩 真正测量单原子：磁圆（线）振二向色性 中子散射 ？ Mössbauer谱 ？ 二、间接测量原子的磁矩 间接测量单原子：假设、计算 统计平均：总体平均 再谈

8 磁 性 测 量 磁性测量原则 盘点我们的本事 物质 力、声 热 电 磁 光 粒子  人 各 种 谱

磁 性 测 量 磁性测量原理 电磁感应原理 磁通测量 宏观物理效应 磁矩测量 微观物理效应 磁场测量 磁 共 振 效 应 间接测量－直接测量 9 磁 性 测 量 磁性测量原理 间接测量－直接测量 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

10 磁 性 测 量 电磁感应原理 磁通量  面积 A

磁 性 测 量 物理效应之一：磁－电 11 磁场中的电输运 经典Hall效应 分数Hall效应 Hall效应 量子Hall效应 磁 性 测 量 物理效应之一：磁－电 磁场中的电输运 量子Hall效应 经典Hall效应 一般磁致电阻效应（OMR） 回旋共振（载流子、离子） Shubnikov－de Haas效应 Hall效应 分数Hall效应 整数Hall效应 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)

磁 性 测 量 物理效应之二：磁－光 12 发 光 光 谱 Zeeman效应 极向Kerr效应 光反射模式 Kerr效应 纵向Kerr效应 磁 性 测 量 物理效应之二：磁－光 光透射模式 发 光 光 谱 光 子 散 射 光反射模式 Zeeman效应 Kerr效应 纵向Kerr效应 极向Kerr效应 横向Kerr效应 磁线振二向色性 磁圆振二向色性 Faraday效应 磁双折射效应 Cotton－Mouton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）

磁 性 测 量 物理效应之三：磁－力（声） 13 横向Joule效应 压磁效应 Guillemin效应 线性效应 磁力效应 磁 性 测 量 物理效应之三：磁－力（声） Guillemin效应 横向Joule效应 Brackett效应 Joule效应 压磁效应 线性效应 体效应 圆周效应 磁声效应 磁力效应 磁致伸缩 旋磁效应 扭矩效应 扭矩减小效应 劲度系数效应 Wiedemann效应 Einstein－de Hass效应 Barrett效应 交变梯度磁强计 磁秤（常用的有7种） 转矩 磁振子－声子相互作用

14 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

磁 性 测 量 物理效应之五：磁－磁 15 磁场敏感器件 磁结构确定 中子散射（衍射） Lorentz力 磁 畴 观 测 磁 性 测 量 物理效应之五：磁－磁 磁振子相互作用 磁结构确定 磁 畴 观 测 中子散射（衍射） Lorentz力 杂散磁场效应 磁力（MF）显微法 Bitter（粉纹）法 磁场敏感器件

磁 性 测 量 磁相关共振 16 －SR 回 旋 共 振 Landau能级 回旋共振（载流子、离子） 电子顺磁共振（EPR） 磁 性 测 量 磁相关共振 自 旋 共 振 Zeeman能级 回 旋 共 振 Landau能级 回旋共振（载流子、离子） 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） －SR Mössbauer效应

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 17 电 信 号 模拟技术 光 信 号 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

磁 性 测 量 磁性测量: 传统 仪 器 磁 矩 各 类 磁 强 计 被 测 量 测 量 量 具 均 匀 非 均 匀 磁 通 稳恒磁场 18 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

磁 性 测 量  磁性测量: 传统 仪 器 信号发生 信号变换 19 电磁感应 空间变化 时间变化 物理效应 光 电 力 磁 共 振 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、Mössbauer谱 回旋共振

磁 性 测 量 磁性测量: 传统 仪 器 信号采集 20 信 号 采 集 方 法 仪 器 设 备 信 号 放 大 方 法 探测线圈 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 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

21 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

22 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

磁 性 测 量 磁性测量：虚拟 仪 器 Virtual Instrumentation-- 23 磁 性 测 量 磁性测量：虚拟 仪 器 Virtual Instrumentation-- Computer Based Instruments

24 磁 性 测 量 磁性测量：虚拟 仪 器 待发展

Hardware & Driver Software 虚 拟 仪 器 系 统 (引用) GPIB Serial DAQ Process or Unit Under Test VXI Image Acquisition Motion Control PXI Application Software Hardware & Driver Software Measurement Studio LabVIEW 25 引自NI的宣传资料

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

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、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…

candidate for the most beautiful experiment (Robert P Crease ) 自旋与轨道磁矩的测量 再谈2 自由粒子的磁矩：－基本解决 中子、质子（氢离子）、电子、原子、离子、原子团 Candidates for the most beautiful experiments in physics （Robert P Crease, 纽约石溪分校） Stern－Gerlach实验（1922年）：电子自旋 Michelson－Morley实验（1887年）：光传播 Cavendish实验（1776年）：空球壳的电荷分布、电荷作用 Weber－Kohlrausch实验（1856年）：静止电荷与运动电荷关系 吴健雄实验（1956年）：弱相互作用的宇称不守恒 … 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：Stern－Gerlach实验（1922） candidate for the most beautiful experiment (Robert P Crease ) 4、磁场偏转（Stern－Gerlach实验）：中子、质子、介子 5、原子核磁矩：核磁共振（NMR）、自旋回波（spin echo） Mössbauer效应、－介子自旋共振（ －SR） 中子衍射（抑制电子的磁性散射） 蓝色：另有专题

自旋与轨道磁矩的测量 自由粒子的磁矩：－基本解决 凝聚体的电子自旋与轨道磁矩： 再谈3 6、自由粒子的形成：（实现无相互作用的自由状态） 中子、质子（氢离子）、电子、原子、离子、原子团 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： 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、Mössbauer谱？ 3、总体磁矩：1&2，宏观磁性测量。

原子核磁矩的测量途径：与自由粒子的原子核磁矩相同 自旋与轨道磁矩的测量 再谈4 凝聚体的原子核磁矩：－基本解决 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： Mössbauer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

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： 2、比较有效的（直接）方法： 3、其它可以使用的方法： 再谈5 谨慎 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。 3、其它可以使用的方法： 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 谨慎 NMR、Mössbauer谱

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” 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） 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” 充分条件 非必要条件 如果“存在磁滞迴线”不一定“具有铁磁性” M T H M 反铁磁性？ 超顺磁性？ 自旋玻璃？ … 铁磁性？ 亚铁磁性？ 超顺磁性？ …

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

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（Mössbauer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

磁结构与相互作用 交换相互作用－磁结构 磁偶极作用－？ 磁超精细作用－解决 自旋－轨道耦合－？ 再谈7 宏观磁偶极作用：（大块材料）力学测量 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 超精细相互作用：磁共振技术、光谱 自旋－轨道耦合－？ 自旋－轨道耦合：ESR、磁二色谱

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 2、地球外宇宙的磁场－无直接测量 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… 生物体磁场：SQUID、磁通门磁强计 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）

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 2、退磁场－比较困难 3、磁超精细磁场－解决较好 再谈9 分子场（交换场）：？（磁共振AFMR） 2、退磁场－比较困难 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 3、磁超精细磁场－解决较好 磁共振技术：ESR、NMR、Mössbauer谱；光谱？

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 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 铁磁共振：球形样品，各向异性常数测量 磁二色谱：XMCD，Bruno提出（1989年） 中子衍射、Mössbauer谱：？

宏观磁性能的测量 直流磁性能－解决相当好 交流磁性能－解决比较好 光频磁性能 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。 交流磁性能－解决比较好 工频、射频、微波、远红外（马达、通信、磁共振） 光频磁性能 磁光效应（Faraday、Kerr、XMD）：－基本解决 光－磁效应：有待研究

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 再谈12 自旋极化率的定义 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 V I B 2、A. F. Andreev反射：表面（界面）极化状态 V I 超导体 3、光电子谱（PES）：XMCD/XMLD－能量分辨差

动态磁化过程 动态磁化过程的定义 动态磁化过程的观测－快速发展 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（SH－MOKE） 磁共振：铁磁共振（FMR） 光电子谱（PES）：XMCD/XMLD－能量分辨 其它

磁成像技术 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 杂散磁场成像：－限于物体表面 再谈14 两大类原理：1、杂散磁场成像；2、磁矩本身成像 物体内部的磁畴成像：－进展缓慢 杂散磁场成像：－限于物体表面 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

磁成像技术 磁矩成像：－磁矩大小、方向 再谈15 1、光学成像：磁光效应 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 2、电子成像： 自由电子束，受激发电子（光电子、二次电子）

磁成像技术 磁矩成像：－表面 再谈16 自旋极化自由电子束： 二次电子： 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） 二次电子： 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

磁成像技术 磁矩成像：－表面 再谈17 光电子（photoemitted electrons）：－磁二色谱 光电发射电子显微术（PEEM）：Photoemission Electron Microscopy－基于磁二色谱的方法 磁二色谱：自旋极化相关的光吸收谱 磁圆二色谱(MCD)：Magnetic Circular Dichroism ～M 磁线二色谱(MLD)：Magnetic Linear Dichroism ～M2 目前可以进行反铁磁磁畴观测的唯一手段？

磁性相变的测量 热激活、压力、外磁场引起的相变 自旋波激发－磁振子 再谈18 1、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，Mössbauer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

小尺度系统的磁性 目前状态－正在探索 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： 再谈19 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） SH－MOKE、XMCD/XMLD（PEEM）、电子全息、SEMPA

本次讲座涉及的内容

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 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、NMR Mössbauer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 End