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中国科学院物理研究所  通用 实验技术公共课程

中国科学院物理研究所  通用 实验技术公共课程. 第二讲：原理和技术. 《 磁性测量 》. 赵同云 磁学国家重点实验室. 2014年10月1日. 声 明. 本讲稿中引用的图、表、数据全部取自公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教学使用， 任何人不得将其用于商业目的 。. 目 录. 中子散射 电磁感应定律 磁光效应 磁电效应 磁力（学）效应 磁共振效应 磁热效应. 中子 散射的原理和技术. 中子的特性 中子的磁散射 中子散射在磁性测量中的 独特 地位. 中子 散射的原理和技术. 参考资料：.

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中国科学院物理研究所  通用 实验技术公共课程

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  1. 中国科学院物理研究所  通用实验技术公共课程 第二讲：原理和技术 《磁性测量》 赵同云 磁学国家重点实验室 2014年10月1日

  2. 声 明 本讲稿中引用的图、表、数据全部取自公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教学使用，任何人不得将其用于商业目的。

  3. 目 录 • 中子散射 • 电磁感应定律 • 磁光效应 • 磁电效应 • 磁力（学）效应 • 磁共振效应 • 磁热效应

  4. 中子散射的原理和技术 中子的特性 中子的磁散射 中子散射在磁性测量中的独特地位

  5. 中子散射的原理和技术 参考资料： Neutron Scattering from Magnetic Materials, Tapan Chatterji ed., Elsevier B. V., Amsterdam (2006). 《中子衍射技术及其应用》（《现代物理基础丛书》第42卷）， 姜传海、杨传铮，科学出版社，2012年。 《中子物理学：原理、方法与应用》（上册、下册）， 丁大钊、叶春堂、赵志祥，原子能出版社，2005年。

  6. 中子的特性 1932年 1935年 发现者 遗憾者 1931年 Sir James Chadwick （1891～1974） 约里奥居里夫妇（错过的粒子） 电子磁矩： 中子磁矩： 取自CoData 2010 中子质量：mn = 1.674 927 351(74)1027 kg 电子质量：me = 9.109 382 91(40)1031 kg

  7. 中子的特性 粒子？波？ 1924年 中子半径：？ 取自CoData 2010 Louis de Broglie （1892～1987） 经典电子半径： deuteron rms charge radius： 中子的能量：快中子、慢中子、热中子、冷中子、… 中子动能～热能 Maxwell-Boltzmann 速率分布

  8. 中子的特性 热中子的波长： 无（线电是中子）所不能的

  9. 中子的用处 核物理研究：常规粒子 CHNO 材料性质研究：全能粒子 晶体结构、磁结构、应力、动力学 材料性质改造：特种粒子 同位素制造、核废料再生 无（线电是中子）所不能的

  10. 1940s ～ 中子的磁散射 中子微分散射截面的主方程（master formula）： 取自“参考资料1” 下标“0”：入射；下标“1”：出射 1994年 Bertram Neville Brockhouse （1918～2003） Clifford Glenwood Shull （1915～2001） Ernest Omar Wollan （1902～1984） 技术 谱学

  11. 1940s ～ 中子的磁散射 散射截面： n0： 单位面积的入射中子数 （E0, k0, 0） 入射中子 样品 微分散射截面： 0 1 （E1, k1, 1） 出射中子 双微分散射截面：  （，）方向 n： 立体角内的出射中子数 全微分散射截面：

  12. 1940s ～ 中子的磁散射 几个算符： 电子自旋和轨道磁矩所产生的磁场： 中子磁矩在电子所产生的磁场中的位势：V

  13. 1940s ～ 中子的磁散射 几个算符： k0 中子的散射矢量算符： q k1 中子的位移矢量算符： 样品 r 磁相互作用算符： R ri 求和遍及所有的未成对电子 ：单位波矢量

  14. 1940s ～ 中子的磁散射 几个算符：

  15. 1940s ～ 中子的磁散射 几个算符： 电子的自旋磁化强度算符： 自旋的磁化强度（动量空间）： 自旋的磁化强度（实空间）： 自旋密度： （自旋）磁相互作用算符：

  16. 1940s ～ 中子的磁散射 几个算符： 电子的轨道磁化强度算符： 轨道的磁化强度（动量空间）： （轨道）磁相互作用算符：

  17. 1940s ～ 中子的磁散射 几个算符： 电子的总磁化强度算符： 磁相互作用算符： 总磁化强度：

  18. 1940s ～ 中子的磁散射 • 与中子散射矢量q的关系： 什么意思： k1 D q k0 D  在特定方向可以检测到被磁（化强度）散射的中子

  19. 1940s ～ 中子的磁散射 • 与中子自旋取向的关系： 热中子： ，：笛卡儿坐标系的坐标分量

  20. 1940s ～ 中子的磁散射 • 与中子自旋取向的关系： Pauli自旋算符的性质： Kronecker’s delta： ，：笛卡儿坐标系的坐标分量

  21. 1940s ～ 中子的磁散射 • 与中子自旋取向的关系： 散射矢量 磁化强度 ，：笛卡儿坐标系的坐标分量 方向性

  22. 1940s ～ 中子的磁散射 • 与磁矩位置的关系： 最后一个通用方程： Dirac Delta： 局域电子、巡游电子、自旋-轨道耦合 空间位置

  23. 1940s ～ 中子的磁散射 • 与磁矩位置的关系： （例）局域电子体系： 原子位置关联函数 磁矩取向关联函数 f (q)：中子磁散射的形状因子（磁性电子密度分布） f (q)：随散射角增大，衰减比X射线更快； 中子核散射的形状因子：与散射角度无关。 空间位置

  24. 1940s ～ 中子的磁散射 （例1）顺磁体系： 漫散射项： Bragg散射项： Bravais胞 倒格矢 外加磁场B k1 磁场中的顺磁体 q k0 空间位置

  25. 1940s ～ 中子的磁散射 （例2）铁磁体系： Bravais胞 倒格矢 各向同性的铁磁体： 饱和磁化的铁磁体： 外加磁场B k1  q k0 空间位置

  26. 1940s ～ 中子的磁散射 （例3）反铁磁体系： 各向同性的铁磁体： 磁结构的波矢 磁（矩）晶格的 Bravais胞倒格矢 简 单 立 方 晶格（原子核）的 Bravais胞倒格矢 空间位置

  27. 中子散射的独特地位 磁结构的唯一性问题：逻辑 中子散射的实验：仪器和样品 实验数据的解析：磁群（二色群） 同步辐射的磁散射：第二个？ 中子散射：目前，唯一的、可信赖的、直接判定磁结构的技术。

  28. M M H T 应该注意的问题 如果A成立  B成立 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；（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） • 逻辑 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” 反铁磁性？ 超顺磁性？ 自旋玻璃？ 磁晶各向异性？ … 铁磁性？ 亚铁磁性？ 超顺磁性？ …

  29. 学会 了 多少知识学会 了 使用 多少知识

  30. 电 磁 感 应 原 理 Faraday Law of Electromagnetic Induction

  31. 电磁感应1 电磁感应定律Faraday’s Law • 电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比。 1831年08月29日，法拉第（Michael Faraday, 1791.09.22～1867.08.25） 电路移动： 磁场变化： 《费曼物理学讲义（中文版）》第2卷，第195页： “我们知道，在物理学的其它领域里还没有一个这么简单而又准确的普遍原理竟需要从两种不同现象作出分析才能真正加以理解的。通常，这么一个优异的普遍性总是发源于一个单一而又深刻的基本原理。”

  32. 电磁感应2 电 磁 感 应 原 理 Faraday-Maxwell’s Law 磁通量  面积 A ×匝数

  33. 电磁感应原理的应用基础 • 磁偶极子假设 • 变化磁通的技术实现 • 变化磁通的测量

  34. 电磁感应3 电 磁 感 应 原 理 必须明确的几个问题 • 自由空间的稳态磁通可以直接测量－磁通计 • 样品内部的稳态磁通无法直接测量 ？ • 变化的磁通可以直接测量 磁通量  • 如何产生变化的磁通 • 如何测量变化的磁通

  35. 电磁感应4 电 磁 感 应 原 理 必须明确的几个问题 1、变化的磁通 3、磁矩定标 2、检测线圈

  36. 电磁感应5 电 磁 感 应 原 理 ε(t) 冲 击 法 磁 强 计 电 动 法 感应（测量发电机）法 t t0 t1 电 子 积 分 器、数 字 积 分 器 各种手动、自动直流磁性测量仪器

  37. 磁 通 磁矩 m：表示物质磁性强弱  磁化强度 M 单位体积内的磁矩，表示磁化的强弱程度  磁场强度 H 磁场的强度 磁矩、磁场、磁通及其测量 磁通密度（磁感应强度 ）B • 从定义出发理解测量的含义 表示磁场强弱程度

  38. 磁 光 效 应 Magnetooptical Effects

  39. 借07 极向Kerr效应 发 光 光 谱 纵向Kerr效应 Kerr效应 光反射模式 横向Kerr效应 Zeeman效应 磁双折射效应 回旋共振（载流子、离子） 光透射模式 磁圆振二向色性 磁线振二向色性 磁致激发光散射（磁振子－光子散射） 光 子 散 射 Faraday效应 Cotton－Mouton效应 2、磁性测量的总体概况 2.2 磁性测量的依据 • 物理效应之二：磁－光

  40. E S H 磁与光及相关效应 光的吸收、散射和色散 O x M (B) M（B） E y z

  41. 参考读物 • 关于偏振、透射、反射、散射、吸收（《电动力学》） • “Magneto-optical effects”, P. S. Pershan, J. Appl. Phys., 38, 1482-1490 (1967). • 《计量测试技术手册》第7卷《电磁学》，中国计量出版社，1996 • 《磁性测量》，周世昌 编，电子工业出版社，1994 • 《拉曼 布里渊散射》，程光熙 著，科学出版社，2001 • “Magnetic dichroism in core-level photoemission”, K. Starke, Springer-Verlag, 2000 • “X-ray scattering and absorption by magnetic materials”, S.W. Lovesey, S.P. Collins, Oxford U. Press, 1996

  42. 参考读物 • “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures I (Topics in Applied Physics, 83)”, by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, B. Hillebrands, $159.00, 388 pages, Springer-Verlag Telos; (January 1, 2002), ISBN: 3540411917 • “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures II (Topics in Applied Physics, 87)”, by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, $189.00, 440 pages, Springer-Verlag; (March 18, 2003), ISBN: 3540440844 • “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures III”, by Burkard Hillebrands (Editor), Andre Thiaville (Editor), $225.00, 350 pages, Springer-Verlag; (September 15, 2004), ISBN: 3540201084

  43. 参考读物 • “Group Theory in Spectroscopy with applications to Magnetic Circular Dichroism”, by Susan B. Piepho, Paul N. Schatz, Wiley-Interscience Monographs in Chemical Physics, Sean P. McGlynn , Editor, (1983). John Wiley & Sons, Inc., ISBN: 0-471-03302-2 • “Inelastic Scattering of X-Rays with Very High Energy Resolution”, by Eberhard Burkel, Springer Tracts in Modern Physics, Volume 125, Springer-Verlag; (1991), ISBN: 3-540-54418-6

  44. 参考读物 A. K. Zvezdin and V. A. Kotov Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1997, ISBN: 0 7503 0362 X 物理的 非（纯）数学的

  45. 光是什么？ • 会意。甲骨文字形, “从火, 在人上”。 • 本义: 光芒, 光亮 • 《说文》：光, 明也。 Light？ Optic？ Photo？ 物理：光是能量的一种形式 光的表征：波长、频率；强度；速度；相位；偏振；

  46. 磁场 磁性介质 光与介质 • 光的产生（光辐射）：量子力学的发源 • 光的干涉与衍射：波的特性 • 光的吸收、散射与色散：物理性质的研究 • 光致辐射：光电效应 散射 反射 折射 双折射 吸收 色散 光电效应

  47. 磁场、磁性介质对光的影响 能级劈裂：Zeeman效应 • 对光的偏振状态的影响 • 对光辐射的影响 透射：Faraday效应、Voigt效应、Cotton－Mouton效应 反射：磁光Kerr效应 • 对光的吸收的影响 磁二色性：磁圆二色谱（MCD）、磁线二色谱（MLD） • 对光的散射的影响 磁致非弹性光散射：Brillouin散射 • 对光的强度的影响 线偏振光的反射：s光、p光

  48. 磁场、磁性介质对光的影响 1845年，M. Faraday发现光平行磁场透过玻璃时偏振面旋转 1876年，J. C. Kerr发现光从磁性介质表面反射时偏振面旋转 1896年，P. Zeeman发现磁场导致发光光谱的劈裂 1902年，Voigt发现光垂直于磁场在气体中传播时发生双折射 1907年，Cotton和Mouton发现了液体的Voigt效应 1914年－1922年，L. Brillouin预言声波调制的非弹性光散射 1975年， J. L. Erskine理论计算金属镍的M2,3磁－光吸收谱 1985年， B. T. Thole理论计算稀土金属的M4,5磁二色谱 1987年， G. Schütz测量了铁的磁圆二色谱 1992年， B. T. Thole提出磁二色谱的sum rules • 发现历史

  49. 磁光1 磁与光及相关效应 磁－光效应的种类

  50. 磁光效应的物理来源 磁场使得介电张量矩阵变为非对称矩阵 • 经典（电动力学）理论 磁光效应来源于非对角矩阵元：旋光性 磁场的作用：时间反演对称性破缺 • 量子理论－材料的电子结构和电子波函数 跃迁定则：角动量守恒 自旋－轨道耦合，磁场能：Zeeman能

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