中国科学院物理研究所通用实验技术公共课程-磁学国家重点实验室.ppt

1、中国科学院物理研究所 通用实验技术公共课程,磁性测量,赵同云磁学国家重点实验室,2018年9月21日,第二讲：原理和技术,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,Neutron Scattering from Magnetic Materials, Tapan Chatterji ed., Elsevier B. V., Amste

2、rdam (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。,参考资料：,中子的特性,Sir James Chadwick（18911974）,1932年1935年,约里奥居里夫妇（错过的粒子）,发现者,遗憾者1931年,电子磁矩：,中子磁矩：,电子质量：me = 9.109 382 91(40)1031 kg,中子质量：mn = 1.674 927 351(74)1027 kg,取自CoData 2010,中子的特性,Louis de Brog

3、lie（18921987）,1924年,经典电子半径：,中子半径：？,取自CoData 2010,deuteron rms charge radius：,粒子？波？,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,中子的特性,热中子的波长：,无（线电是中子）所不能的,中子的用处,核物理研究：常规粒子,无（线电是中子）所不能的,材料性质研究：全能粒子,材料性质改造：特种粒子,晶体结构、磁结构、应力、动力学,CHNO,同位素制造、核废料再生,中子的磁散射,Clifford Glenwood Shull（19152001）Ernest Omar

4、 Wollan（19021984）,1994年,Bertram Neville Brockhouse（19182003）,技术,谱学,1940s ,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,中子的磁散射,1940s ,散射截面：,n0：单位面积的入射中子数,入射中子,样品,（，）方向,n：立体角内的出射中子数,微分散射截面：,0 1,（E0, k0, 0）,（E1, k1, 1）,双微分散射截面：,出射中子,全微分散射截面：,中子的磁散射,1940s ,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

5、磁场中的位势：V,中子的磁散射,1940s ,几个算符：,中子的散射矢量算符：,中子的位移矢量算符：,样品,k0,k1,q,r,ri,R,磁相互作用算符：,求和遍及所有的未成对电子,：单位波矢量,中子的磁散射,1940s ,几个算符：,中子的磁散射,1940s ,几个算符：,电子的自旋磁化强度算符：,自旋的磁化强度（实空间）：,自旋密度：,自旋的磁化强度（动量空间）：,（自旋）磁相互作用算符：,中子的磁散射,1940s ,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：,中子的磁散射,1940s ,几个算符：,电子的总磁化强度算符：,总磁化强度：,磁

6、相互作用算符：,中子的磁散射,1940s ,什么意思：,k1,k0,q,D,D,在特定方向可以检测到被磁（化强度）散射的中子,与中子散射矢量q的关系：,中子的磁散射,1940s ,与中子自旋取向的关系：,热中子：,，：笛卡儿坐标系的坐标分量,中子的磁散射,1940s ,，：笛卡儿坐标系的坐标分量,Pauli自旋算符的性质：,Kroneckers delta：,与中子自旋取向的关系：,中子的磁散射,1940s ,，：笛卡儿坐标系的坐标分量,与中子自旋取向的关系：,磁化强度,散射矢量,方向性,中子的磁散射,1940s ,最后一个通用方程：,与磁矩位置的关系：,空间位置,Dirac Delta：,局

7、域电子、巡游电子、自旋-轨道耦合,中子的磁散射,1940s ,（例）局域电子体系：,与磁矩位置的关系：,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,中子的磁散射,1940s ,（例1）顺磁体系：,空间位置,漫散射项：,Bragg散射项：,k1,k0,q,外加磁场B,Bravais胞倒格矢,磁场中的顺磁体,中子的磁散射,1940s ,（例2）铁磁体系：,空间位置,k1,k0,q,外加磁场B,Bravais胞倒格矢,饱和磁化的铁磁体：,各向同性的铁磁体：,中

8、子的磁散射,1940s ,（例3）反铁磁体系：,空间位置,晶格（原子核）的Bravais胞倒格矢,各向同性的铁磁体：,磁（矩）晶格的Bravais胞倒格矢,磁结构的波矢,简单立方,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。,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？,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

9、：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）,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”,如果“具有铁磁性”必然“存在磁滞迴线”,如果“存在磁滞迴线”不一定“具有铁磁性”,充分条件非必要条件,学会 了 多少知识学会 了 使用 多少知识,电 磁 感 应 原 理,Faraday Law ofElectromagnetic Induction,电磁感应定律Faradays Law,电路中感应电动势的大小，跟穿过这一

10、电路的磁通变化率成正比。,1831年08月29日，法拉第（Michael Faraday, 1791.09.221867.08.25）,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。”,电磁感应1,电 磁 感 应 原 理,面积A,磁通量,电磁感应2,匝数,Faraday-Maxwells Law,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,电 磁 感 应 原 理,磁通量

11、,电磁感应3,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,如何产生变化的磁通如何测量变化的磁通,电 磁 感 应 原 理,电磁感应4,必须明确的几个问题,1、变化的磁通,2、检测线圈,3、磁矩定标,电 磁 感 应 原 理,电磁感应5,t0,t1,(t),t,冲 击 法磁 强 计电 动 法感应（测量发电机）法,电 子 积 分 器、数 字 积 分 器,各种手动、自动直流磁性测量仪器,磁矩、磁场、磁通及其测量,从定义出发理解测量的含义,磁通密度（磁感应强度 ）B,表示磁场强弱程度,磁 通,磁 光 效 应,Magnetooptical

12、 Effects,2.2 磁性测量的依据,物理效应之二：磁光,借07,2、磁性测量的总体概况,磁与光及相关效应,光的吸收、散射和色散,M（B）,z,x,y,O,E,M (B),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-le

13、vel photoemission”, K. Starke, Springer-Verlag, 2000“X-ray scattering and absorption by magnetic materials”, S.W. Lovesey, S.P. Collins, Oxford U. Press, 1996,参考读物,“Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures I (Topics in Applied Physics, 83)”, by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, B. Hillebran

14、ds, $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 Con

15、fined Magnetic Structures III”, by Burkard Hillebrands (Editor), Andre Thiaville (Editor), $225.00, 350 pages, Springer-Verlag; (September 15, 2004), ISBN: 3540201084,参考读物,“Group Theory in Spectroscopy with applications to Magnetic Circular Dichroism”, by Susan B. Piepho, Paul N. Schatz, Wiley-Inter

16、science Monographs in Chemical Physics, Sean P. McGlynn , Editor, (1983). John Wiley (1991), ISBN: 3-540-54418-6,参考读物,A. K. Zvezdin and V. A. KotovModern Magnetooptics and Magnetooptical MaterialsInstitute of Physics Publishing,Bristol and Philadelphia, 1997, ISBN: 0 7503 0362 X,物理的 非（纯）数学的,光是什么？,会意

17、。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；,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,磁场、磁性介质对光的影响,对光辐射的影响,对光的吸收的影响,对光的散射的影响,透射：Faraday效应、Voigt效应、CottonMouton效应反射：磁光Kerr效应,对光的偏振状态的影响,能级劈裂：Zeeman效应,磁二色性：磁圆二色谱

18、（MCD）、磁线二色谱（MLD）,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,磁场、磁性介质对光的影响,发现历史,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

19、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. Schtz测量了铁的磁圆二色谱1992年， B. T. Thole提出磁二色谱的sum rules,磁与光及相关效应,磁光1,磁光效应的种类,磁光效应的物理来源,经典（电动力学）理论,磁场使得介电张量矩阵变为非对称矩阵,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,所需基础知识,电磁波的产生与检测电磁波与物质的相互作用： a. 光的偏振，波的合成 b. 电动力学（Max

20、well方程） c. 量子力学、散射截面 d. 电磁波在（磁性）介质中的传播模式 e. 电磁波在物质表面的反射 f. 电磁波的散射、吸收与发射,光的能量范围与磁效应, 1 K 10 K 100 K 103 K 104 K 105 K 106 K 107 K 108 K 109 K, 0.001 eV 0.01 eV 0.1 eV 1 eV 10 eV 100 eV 1 keV 10 keV 100 keV 1 MeV,1 cm110 cm1100 cm11000 cm110 000 cm1,磁与光及其相关效应,磁共振,磁共振,电子,预备1,RF,磁与光、光与磁,一、磁场（或者磁矩）对光的作用,

21、各种磁光效应：偏振，吸收，散射，能级,二、光对介质磁性能的作用,光辐照效应：矫顽力、磁导率、磁各向异性，铁磁共振,电子的能级移动,自旋轨道耦合 Zeeman劈裂,强度、偏振、方向、频率、相位,磁与光及相关效应,磁光法拉第效应磁光克尔效应布里渊散射磁二色谱动态磁化过程的观测,磁光Faraday效应,Magnetic Optical Faraday Effect(MOFE),1845年，M. Faraday,所有介质,Faraday M., Phil. Trans. Roy. Soc. 136,1(1846),http:/ constant，非磁性介质K：Kundt constant，磁性介质,磁

22、光Faraday效应,法拉第效应3,磁光Faraday效应的应用,磁光隔离器（透射型，如YIG）磁场强度测量（非磁性介质）磁光存储器读头（read）磁化行为测量（磁性介质）磁畴结构观测（透光）动态磁化过程,磁光Kerr效应,Magnetic Optical Kerr Effect(MOKE),1876年，Reverend J. C. Kerr,所有介质,Kerr J. C., J. Rep. Brit. Assoc. 5, (1876),磁光Kerr效应,克尔效应1,磁光Kerr效应的原理,线偏振光频电磁波在磁化强度为 M 的介质表面反射时，反射光一般是椭圆偏振光，同时偏振面发生旋转，旋转角度

23、 Kerr 正比于介质的磁化强度 M。其物理过程可由Fresnel光反射公式描述。,i,r,t,E,如果 M0，r12r210，即，一般Fresnel公式,光在磁性介质表面的反射,磁化强度入射面反射面,reflection + transmission,极向Kerr效应,纵向Kerr效应,横向Kerr效应,非垂直入射,反射率与M相关,磁光Kerr效应,克尔效应2,http:/www.qub.ac.uk/mp/con/magnetics_group/MOlooper.html,磁光Kerr效应,克尔效应3,磁光Kerr效应的应用,磁化行为测量（纵向、极向）磁畴结构观测（in situ）：SMOK

24、E动态磁化过程磁光存储器读头（read）磁光隔离器（反射型）磁场强度测量,SHGSecond Harmonic Generation,磁光Kerr效应,克尔效应4,利用磁光Kerr效应测量各向异性,M,ROT-SMOKE,复旦大学,关于磁光Faraday效应与Kerr效应的补充,1、物理来源：自旋轨道耦合,Theory of the Faraday and Kerr effects in ferromagnetics,Petros N. Argyres, Phys. Rev., 97(2) (1955) 334-345,非磁性介质：Zeeman效应；磁性介质：自旋轨道耦合,Faraday磁光效

25、应与Kerr磁光效应：只考虑自旋轨道耦合的一级近似，转角 ,Voigt磁光效应或者CottonMouton磁光效应：需考虑自旋轨道耦合的二级近似，转角 ,2、反铁磁磁畴观测：SHG,second harmonic generation: 转角 ,Lorentz force,Brillouin散射谱,Brillouin Scattering,1912年 1922年，L. Brillouin,所有介质,Brillouin L., Compt. Rend., 158, 1331 (1914)Brillouin L., Ann. Phys. (paris), 17, 88 (1922),光的散射,光散

26、射1,理想透射、弹性散射、非弹性散射,理想的光透射情况：均匀介质（无任何起伏），无能量交换的过程。光波沿原方向传播。实际上，几乎找不到与之相对应的真实过程。,弹性散射的光透射情况：介质中存在与时间无关的某种起伏，使得光波偏离原方向，但是频率不发生变化。如Rayleigh散射、廷德尔散射和米氏散射。不检测能量变化。,非弹性散射的光透射情况：介质中存在随时间变化的不均匀性，导致光波偏离原方向，而且频率发生变化（频移）。如Raman散射和Brillouin散射。检测能量变化。,晴朗的天空为什么是蓝色的？,John Tyndall（1869）John Rayleigh（1880）Albert Eins

27、tein（1910）,非弹性光散射,光散射2,Raman散射（C. V. Raman，1928）,Stokes定则：（G. Stokes，1852年）入射光频率为：I，出射光频率为S ： I； I ；I ，：Raman位移 S I：Rayleigh散射；出射光频率等于入射光频率。 SI：Stokes散射；出射光频率低于入射光频率。 SI ：反Stokes散射；出射光频率高于入射光频率。,非弹性光散射,光散射3,Brillouin散射与Raman散射,Raman散射：（C. V. Raman，1928年，CCl4液体）Brillouin散射：（L. Brillouin，1912年1922年，预言

28、） （E. Gross，1930年，证实）,设入射光在偏振，在方向观测散射光，电子极化率,Rayleigh散射,Brillouin散射：声学声子或者磁振子；Raman散射：所有种类的元激发,Brillouin散射谱,布里渊散射1,Brillouin关于光散射的预言,介质中声波引起的密度涨落以声速在介质中传播，相当于位相光栅，从而引起入射光的Bragg衍射，衍射光的频率产生Doppler位移B，位于入射光频率（Rayleigh散射）的两侧的1.0 cm1范围内。对于液体，为声波角频率，对于固体，为声学声子TA和LA频率或者磁振子频率。,声波、玻色子（声学声子、磁振子）,Brillouin散射谱,

29、布里渊散射2,Brillouin散射谱的测量,10-5,10-4,cm-1,Rayleigh,0.5,1.0,cm-1,Brillouin,500,1000,cm-1,Raman,多通FabryPerot干涉仪（FPI）,对比度：,自由光谱区,Brillouin散射谱,布里渊散射3,仪器设备框 图,Inelastic light scattering in magnetic dots and wiresSergey O. Demokritov*, Burkard HillebrandsJournal of Magnetism and Magnetic Materials 200 (1999)

30、706719,多通FPIBrillouin散射谱仪,Brillouin散射谱,布里渊散射4,Brillouin散射谱的应用,声学声子,磁振子,表面磁振子,声速的测量声学声子模式自旋波激发饱和磁化强度Land因子测量表面各向异性,磁二色谱,Xray Magnetic Circular/Linear Dichroism(XMCD/XMLD),Bernard Theodoor Thole(1950.4.1-1996.7.4),“I have never seen such an excellent piece of work, so poorly written up”,1975，1985，1986

31、，1987，1990，1992，1993，,synchrotron light,磁二色谱研究的起源,磁二色谱1,起源三：X射线吸收谱的精细结构,W. Heisenberg, Z. Phys., 49 (1928) 619E. C. Stoner, Proc. Roy. Soc. Lond., A165 (1938) 372T. Moriya, et. al., J. Phys. Soc. Japan, 34 (1973) 639,起源一：磁性起源的局域模型与巡游模型之争,XAS: x-ray absorption spectroscopyEXAFS: extended x-ray absorp

32、tion fine structure NEXAFS: near-edge x-ray absorption fine structureXANES: x-ray absorption near edge structure,起源二：X射线磁光效应的研究,Faraday MOE, Kerr MOE, Voigt MOE,磁二向色性,磁二色谱2,磁性材料对不同极化（偏振）光的吸收不同,Experimental proof of magnetic x-ray dichroismG. van der Laan, B. T. Thole, G. A/ Sawatzky, J. B. Goedkoop,

33、 J. C. Fuggle, J. M. Esteva, R. Karnatak, J. P. Remeika, and H. A. Dabkowska, Phys. Rev. B. 34(9) (1986) 6529.,X-ray circular dichroism as a probe of orbital magnetizationB.T. Thole, P. Carra, F. Sette, G. van der Laan, Phys. Rev. Lett., 68 (1992) 1943.,Strong magnetic dichroism predicted in M4,5 X-

34、ray absorption spectra of magnetic rare-earth materialsB. T. Thole, G. van der Laan, and G. A. Sawatzky, Phys. Rev. Lett. 55 (1985) 2086.,X-ray magnetic dichroism of antiferromagnet Fe2O3: the orientation of magnetic moments observed by Fe 2p X-ray absorption spectroscopyP. Kuiper, B. G. Searle, P.

35、Rudolf, L. H. Tjeng, and C. T. Chen, Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 1549.,Absorption of circularly polarized X rays in ironG. Schtz, W. Wagner, W. Wilhelm, P. Kienle, R. Zeller, R. Frahm, G. Materlik, Phys. Rev. Lett. 58 (1987) 737.,Calculation of the M23 magneto-optical absorption spectrum of ferromagn

36、etic nickelJ. L. Erskine and E. A. Stern, Phys. Rev. B 12, (1975) 5016,磁二色谱,磁二色谱3,磁圆二色谱：(XMCD: magnetic circular dichroism) M磁线二色谱：(XMLD: magnetic linear dichroism) M2,Magnetic dichroism in core-level photoemission K. Starke，Berlin，Springer-Verlag，2000,磁性材料对光的吸收与磁性电子（价带）的自旋极化有关。3dTM元素的L2, 3（2p3d）、4f

37、RE稀土元素的M4, 5 （3d4f）,二色谱：不同磁化方向（或者两种偏振光）的吸收谱之差,4f_XMCD,3d_XMCD,磁二色谱的产生条件,磁二色谱4,1、样品对于光有吸收：,磁光Faraday效应、磁光Kerr效应：无吸收 ？,2、样品本身具有交换相互作用：,铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性，等等,3、对于入射光的偏振状态没有特别要求：,圆偏振光：样品磁化强度在光传播方向的分量不为零,线偏振光：p极化分量、非垂直入射 磁光Kerr效应,非偏振光：p极化分量、非垂直入射 磁光Kerr效应,MDPE:MagneticDichroismPhotoEmission,MDPE can exist, if

38、 there is no space-symmetry operation which reverses the magnetization only but leaves the system unchanged otherwise.,光的偏振与磁二色谱,磁二色谱5,1、光偏振的定义方法：光沿 z 方向传播,2、磁二色谱的表示方法：,圆偏振用旋转方向 q 表示：LCP：左圆偏振光 RCP：右圆偏振光 ,线偏振用电矢量 E 表示：p光：平行于入射面s光：垂直于入射面,MCD：吸收峰强度：A，AALAR 吸收系数：k，k kLkR MLD：椭圆度：M,photoelectronphotocurr

39、ent,磁二色谱,磁二色谱6,元素分辨：,磁矩（自旋、轨道）分辨、各向异性：,原子序数Z原子量A,原子光谱,光吸收谱,原子能级,原子身份证,特征谱线,自旋轨道耦合；交换劈裂； 自旋极化相关吸收；？磁二色（XMD）谱磁矩 ？,原子芯电子能级,量子力学,据说,磁二色谱的理论处理,磁二色谱7,Fermis Golden Rule：跃迁几率,跃迁几率,平面波,考虑偏振q：,WignerEckart Theorem：角动量耦合,q0，线偏振， ；q=1，圆偏振， ,Sum Rules：从吸收谱计算自旋和轨道的分量,A：L3强度，B：L2强度,预备知识,磁二色谱8,偏振态相关的吸收几率,J 0，1； mj

40、0， 1,MCD：JmjMLD：J0，1,磁二色谱,磁二色谱9,磁性元素磁性壳层磁性电子,3d 过渡族元素：Fe, Co, Ni4f 稀土元素：Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb,Lu,特征谱线,可利用的吸收限：,芯电子能级未占据能级：lll 1,缩小范围,预备知识,磁二色谱10,X射线产生、散射、吸收能级跃迁几率与选择定则（selection rules）自旋轨道耦合X射线吸收谱（XAS: x-ray absorption spectroscopy）光电子能谱（PES: photoelectron spectro

41、scopy）光电子显微谱（PEM: photoelectron microscopy）光发射电子显微谱（PEEM: photoemission electron microscopy）,预备知识,磁二色谱11,X射线的产生与吸收,K,L,M,N,O,K,K,L,L,K1,K2,电子能级 n,Moseley定律,XRD,XMCD/XMLD,K,K,I,元素分辨,连续光,X射线与同步辐射光,磁二色谱12,1895: Rntgen：发现X射线1913: Moseley：X射线谱、Moseley定律,X射线,同步辐射光（Synchrotron light）,1944：苏联Ivanenko和Pomera

42、nchuk理论计算1947：通用电气Blewett和Haber首次发现可见光波段的同步辐射， 70MeV1960s：NIST第一代（parasitic）同步辐射光源SURF 180MeV1970s：英国Daresbury第二代（dedicated）同步辐射光源SRS 5GeV1980s1990s：第三代（optimized for brightness）同步辐射光源： SSRL、ESRF、NSLS1995：第四代（free- electron laser）同步辐射光源 ？,E,E,RCP,LCP,预备知识,磁二色谱13,能级跃迁几率与选择定则,电子态表示：,n2S+1LJ,n2s+1lj,原子

43、能级,光谱项符号,n1， 2， 3， 4， K，L，M，N，,l0，1，2，3，n1 s，p，d，f，,L0，1，2，3，n1 S，P，D，F，,l=0, 1, 2, 3, , n-1, mll, l-1, , 0, , -l+1, -l,j l 1/2mjj, j-1, , -j+1, -j,预备知识,磁二色谱14,电子在原子中的标识：,预备知识,磁二色谱15,(j, mj)与(l, ml, ms)的关系,J 0，1； mj0， 1,jls, lss1/2,采用(j, mj)可以完全表示电子的能态（包括自旋取向及角动量）。,预备知识,磁二色谱16,能级跃迁几率与选择定则,电子的能态（能量和位

44、置）：,能级跃迁（辐射或者吸收）：,可能跃迁的选择定则：,nnn整数（包括零）；LLL1；SSS0；JJJ0，1；禁闭J0J0,mj 0，1；电偶极跃迁ms0，NMR除外,预备知识,能级跃迁几率与选择定则,电偶极矩跃迁选择定则,电四极矩跃迁选择定则,磁偶极矩跃迁选择定则,光子电磁场矢势：,磁二色谱17,预备知识,磁二色谱18,mj,mj,？,偶极选择定则允许的跃迁（吸收）,n1；L+1；S0；J0，1；mj 0，1； ms0,2p3d：,预备知识,磁二色谱19,自旋极化相关的X射线吸收,线偏振： L1；S0；J0，1；mj 0； ms0,圆偏振： L1；S0；J0，1；mj 1； ms0,左旋

45、圆偏振光：mj 1；右旋圆偏振光：mj 1；,右：,左：,L3,L2,Mk,？,spin flip ?,chirality,预备知识,磁二色谱20,能带模型：,自旋磁矩：,轨道磁矩：,右：,左：,L3,L2,“spin-up” and “spin-down” are defined relative to the photon helicity or photon spin, which is parallel (right) or anti-parallel (left) to the X-ray propagation direction. Feynman物理学讲义1964,芯电子自旋轨道耦合,磁性电子交换劈裂：磁矩,入射光：偏振（角动量）,预备知识,磁二色谱21,自旋极化探测器磁性电子磁矩,温度T0 K时, 基态为,温度T 0 K时, 各态为,温度T 0 K时, 能态具有Boltzmann分布,圆偏振光：,线偏振光：,MCD：,MLD：,AFM,AFM,磁二色谱,磁二色谱22,Au/Co/Au,J. Sthr, JMMM, vol. 200, 470-497, (1999),磁二色谱的应用,磁二色谱23,可以测量的参数（同步辐射光源）：自旋磁矩轨道磁矩（B. T. Thole）磁晶各向异性（P. Bruno）磁畴观测（PEEM）动态磁化过程（超快过程）,