[科普中国]-磁化动力学

随着物体在运动过程中不断的变化，退磁程度相应增大，磁化恢复时间也相应延长。所产生的现象及发展的状况即磁化动力学。

磁光薄膜飞秒激光感应超快磁化动力学利用时间分辨磁光克尔光谱技术，研究TbFeCo磁光薄膜飞秒激光感应超快磁化动力学过程。观测到亚皮秒的超快退磁过程，符合“三温度”模型中由电子－自旋散射引起的超快退磁机制。磁化动力学的激发功率流密度依赖关系结果表明，随着激发功率流密度的增大，超快退磁程度增加和磁化恢复时间延长，符合“三温度”模型的解释。在衬底厚度不同的TbFeCo样品对比实验中发现，同功率流密度激发下衬底较薄的样品退磁程度更高，磁化恢复速率更快。1

磁化动力学的激发功率流密度依赖关系运用飞秒时间分辨磁光克尔光谱技术测量 TbFeCo样品，在相同饱和外磁场下的同激发功率流密度的激光感应超快磁化动力学。实验测得样品在不同激发功率流密度下都具有亚皮秒的超快退磁时间，几百皮秒的磁化恢复时间，此结果符合 “三温度”模型的解释。根据 “三温度”模型，激光激发的能量首先被电子吸收，导致电子温度急剧升高，接着热电子通过电子－自旋相互作用将部分能量传递给自旋系统，导致自旋温度在亚皮秒内快速升高，自旋系统温度的升高导致宏观磁化强度的减小，即发生超快退磁化现象。其后随着电子－晶格和自旋－晶格相互作用，电子和自旋系统的能量逐渐向晶格系统转移，在较短的时间内三者达到平衡，进而以一致的温度向环境耗散能量。随着冷却的进行，热化自旋向初始温度弛豫，磁化态将逐步恢复，对应超快退磁化后的一个较长时间尺度内的磁化恢复过程。1

随着功率流密度的增大，退磁程度相应增大，磁化恢复时间也相应延长。从微观角度看，可以参照“三温度”模型进行理解：退磁化程度在起源上依赖于光激发热电子数量，初始激发的能量越高，自旋系统通过电子－自旋相互作用获得的能量越多，自旋温度升高得越高，相应的退磁化程度就会越高。而磁化恢复过程主要由自旋－晶格弛豫控制，受到晶格热扩散进程的影响，因而在较高的激发能量下磁化恢复时间也会较长。从宏观角度看，可以参照相应的唯象理论来理解：在激发功率流密度较低的情况下，局部磁矩的铁磁有序并未完全破坏，随着晶格温度降低，磁畴扩张进行，因此磁矩慢慢恢复；当激发功率流密度增大，样品退磁程度增加，局部磁矩从接近铁磁淬灭态恢复到未激发前的基态，必须先经历一个局域铁磁晶核的重组过程，之后才会出现类似低激发功率流密度下的磁畴扩张过程，因而导致高激发功率流密度下磁化恢复时间偏长。1

衬底厚度不同的样品磁化动力学为了研究衬底厚度对样品激光感应超快退磁和磁化恢复过程的影响，促进记录介质的优化和改进，测量了在5mJ/cm2 的泵浦光功率流密度下，衬底厚度不同的两块 TbFeCo样品的飞秒激光感应的超快磁化动力学过程示。衬底厚度不同的 TbFeCo样品均呈现亚皮秒的超快退磁过程以及几百皮秒的磁化恢复慢过程，这两个过程都可以按上文的 “三温度”模型给予解释，也再次说明 TbFeCo磁光薄膜样品具备激光感应超快退磁和磁化恢复的特点。1

首先对比两块样品的退磁化程度，可以发现衬底厚度较小的样品的退磁化程度较大。这是因为衬底较薄的样品，激光脉冲直接作用在 TbFeCo层上的能量较多，磁性原子的电子吸收光子能量较充分，能够传递给自旋系统的能量也相应较多，因此超快退磁化程度相对较大。其次对比两块样品的磁化恢复速率，可以发现衬底厚度较小的样品虽然退磁化程度较大但其磁化恢复速率也较快。此结果可以从衬底热吸收和扩散的角度来定性理解：对于磁化恢复过程，主要依赖于晶格－自旋弛豫作用，而衬底厚度影响着晶格系统向外界环境的热传递过程，衬底较薄的样品比较厚的样品的晶格冷却速率更快，也即导致磁化恢复速率较快。磁光薄膜的超快退磁化和磁化恢复是一个受材料结构等多参量影响的过程，虽然退磁化程度和磁化恢复速率还受到其他因素的限制，但单从样品衬底厚度这一角度对比讨论，结果具有一定的合理性和指导意义。

由于衬底厚度对于磁光薄膜样品的退磁以及磁化恢复动力学过程有着直接的影响，因此在材料的结构组成以及基本磁光性能相近的情况下，优选衬底厚度较小的样品有利于提高退磁化程度，提高退磁化速率，缩短磁化恢复时间。1

稀土元素掺杂对超快磁化动力学影响利用飞秒时间分辨泵浦 － 探测磁光克尔光谱对掺杂不同浓度稀土元素 Tb 的 Heusler 合金 Co2 FeAl0.5 Si0. 5( CFAS) 磁性薄膜的磁各向异性和超快退磁动力学进行了研究。发现较低浓度 Tb 掺杂的样品出现磁化进动振荡，而较高浓度 Tb 的样品无磁化进动振荡，最高浓度的样品只有一个零点峰，表明不同 Tb 浓度的样品具有不同的磁各向异性。从无进动磁化动力学曲线上观察到样品的退磁过程都是两步退磁，第一步快的退磁化过程源于过渡金属 ( CoFe) 的 3d 磁矩的超快退磁化，而第二步较慢的退磁化反映的是 Tb 元素的 4f 磁矩通过 3d－ 5d6s － 4f 耦合的退磁化过程。结果表明可以通过控制掺杂 Tb 浓度来达到调控 CFAS 的磁各向异性目的。这种Tb 掺杂的离面磁化的 CFAS 合金薄膜在自旋电子器件制作中具有巨大应用潜力。2

样品制备共制备了 8 个样品： CFAS40W /Tb1W，CFAS40W /Tb2W，CFAS40W /Tb3W，CFAS40W/Tb4W，CFAS40W/Tb5W，CFAS40W/Tb6W，CFAS40W/Tb8W 和 CFAS40W/Tb10W。样品的Tb 掺杂浓度依次增加。

磁各向异性的磁化动力学表征首先希望判断8 个 Tb-CFAS 样品的磁各向异性是否随 Tb 掺杂浓度变化而变化。更具体地说判断 Tb-CFAS 是否可能从面内磁化变为离面磁化。所以，开展了施加离面外加磁场下的磁化动力实验研究，因为这种技术容易判断样品是面内或离面磁化。面内磁化样品的动力学应该会出现自旋进动振荡，而离面磁化样品则不会。2

在相同的 7. 5 mJ /cm2 泵浦能流和 4 kOe近垂直样品面施加外磁场下测量。可以清楚地看到磁化动力学随 Tb 掺杂浓度 ( 正比溅射功率) 的变化。3 个低 Tb 掺杂浓度 ( Tb 1 ～ 3 W) 的 Tb-CFAS样品呈现磁化进动振荡，但振荡幅度和频率都随Tb 浓度增加而减小。4 个较高 Tb 掺杂浓度 ( Tb 4～ 8 W) 的 Tb-CFAS 样品的磁化动力学没有进动振荡，但其退磁化过程 ( 延迟零点附近克尔信号从零变为最大的过程) 呈现两步过程。首先是一个快速退磁过程，然后跟着一个较慢的退磁过程。最后，Tb 掺杂浓度最高 ( Tb 10 W) 的 Tb-CFAS 样品，其磁化动力学仅在延迟零点附近呈现一个尖峰。磁化进动振荡动力学的出现最直观的表明样品是面内磁化的，因为进动起源于泵浦光激发样品后，样品内的总有效磁场偏离了原来磁化方向。总有效磁场等于离面外磁场与磁晶各向异性场的矢量和。光激发通常只能改变磁晶各向异性场的大小，所以，只有面内磁晶各向异性场的大小变化才能导致有效磁场的方向变化。因此，得出结论： 观察到进动磁化动力学的三个 Tb-CFAS样品仍然保持面内磁化。而进动振荡幅度随 Tb 掺杂浓度增加而变小，表明 Tb-CFAS 样品的面内磁晶各向异性随 Tb 掺杂浓度增加而变小。四个较高Tb 掺杂浓度的 Tb-CFAS 样品的动力学没有出现振荡，而呈现两步退磁过程，这是垂直磁化稀土 － 过渡金属 ( RE-TM ) 薄膜的典型超快退磁化特征。2

两步退磁过程的起源RE-TM 非晶体合金薄膜，如 GdFeCo 和 TbFe-Co 的磁性质在已被广泛研究，而超快磁化动力学在近十多年也被研究。已经知道RE 与 TM 之间是反铁磁耦合的。800 nm 波长探测光测量的磁光克尔信号主要反映的是过渡金属的3d 电子磁矩变化。Tb 元素的磁矩主要由内层的4f 电子贡献，但 800 nm 波长探测光不能直接探测到 4f 能级电子磁矩，只能直接探测外层 5d6s 电子磁矩，但 5d6s 电子磁矩只占 Tb 元素磁矩的 3% 。所以，Tb 元素和 TM 反铁磁耦合时，4f 磁矩是通过 5d6s － 4f 耦合参与的。文献正是基于这种模型解释了在 GdFeCo 薄膜中观察的两步退磁化过程。认为第一步超快退磁化过程起源于泵浦激光感应的 TM 的 3d 磁矩退磁化，而第二步较慢退磁化过程正是反映了 4f 磁矩通过 5d6s － 4f 耦合的退磁化过程。文献还发展了一个四温度模型来理论模拟计算超快磁化动力学过程。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学