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关键词： 超导量子计算   自旋电子器件   自旋转移矩效应   现场可编程拓扑物态阵列  

摘要： 经典计算机的运行基于比特位在0、1态之间的切换,而微观尺度上的基本粒子遵循量子力学原理,可构成同时处于0态和1态间任意叠加态的量子比特(Qubit)。基于Qubit特殊性质所构建的量子计算机在求解特定问题上相较经典计算机具备指数级加速的计算能力。近20年来,研究人员已在不同的物理系统中实现了对量子态的可控制备、操作和读取,为量子计算的物理实现奠定了基础。其中,超导量子系统凭借良好的扩展性和灵活性的优势,率先验证了“量子优越性”,成为当前最具发展前景的量子计算系统之一。量子优越性的实现在实验上验证了量子计算在特定问题的求解上优于经典计算,但实现容错量子计算仍有Qubit相干时间、Qubit门操作的保真度等性能指标需要提升。本文工作通过基于超导电子学-自旋电子学复合量子器件的设计与研究,验证了自旋电子器件产生的局域磁场可动态调控Qubit频率,提升Qubit性能的潜力,并论证了基于自旋电子器件阵列可构建现场可编程拓扑物态阵列的可行性,这对于执行拓扑编织操作,探索丰富的拓扑相变过程有重要意义。本文工作的主要成果有二:1.通过微纳加工技术制备得到了自旋电子器件-磁性隧道结阵列和超导电子器件-超导量子干涉仪,验证了利用STT效应动态调控磁性隧道结阵列产生局域磁场的潜能,并论证了通过自旋电子器件驱动超导量子比特的可行性。2.提出现场可编程拓扑物态调控阵列概念,为拓扑量子计算提供平台。我们将自旋电子器件与超导体-半导体异质纳米线相结合设计异构拓扑量子计算器件,利用自旋电子器件的STT效应提供特定时序与分布的局域磁场配置,降低了拓扑量子计算运行的严苛要求,为执行拓扑编织操作,实现拓扑相变等过程搭建了物理平台。

关键词： 空间表象   联结   感悟   思考  

摘要： 小学数学教师在教学较大的面积度量单位时,应帮助学生较准确地建立空间表象的三大路径是深度联结、深度感悟、深度思考。本文以北师大版五年级上册《认识公顷和平方千米》的教学为例,浅谈"联结、感悟、思考"空间表象培养几个途径。

关键词： 局域电子   电子自旋   自旋动力学   自旋弛豫和退相位   时间分辨光谱  

摘要： 半导体电子自旋有望应用于自旋电子器件以及量子计算之中。局域电子是指电子的波函数在空间上局域在小尺度(一般纳米量级及以下尺度)范围内,例如量子点中的电子(材料的三维尺度均为纳米量级)以及块体或其它维度材料中缺陷或杂质所导致的局域态。相比于自由电子,局域电子的自旋-轨道相互作用受到极大抑制,导致具有更长的自旋寿命和退相干时间。本学位论文利用瞬态光谱技术系统研究了零维CdSe胶体量子点、二维单层MoS半导体以及ZnO块体材料等体系中局域电子的自旋动力学。主要研究内容以及创新性成果如下:1.在室温下利用时间分辨椭偏光谱法研究了零维胶体量子点电子自旋动力学,发现在零维胶体量子点中表面状况对电子自旋动力学具有非常重要的影响。在CdSe胶体量子点中分别添加空穴俘获剂Li[EtBH]和1-辛硫醇,电子的自旋旋进频率、自旋g因子、自旋弛豫/退相位时间及机制均有明显的区别。在零磁场和弱磁场下,添加Li[EtBH]的CdSe量子点电子自旋弛豫/退相位过程由电子与原子核的超精细相互作用主导,自旋退相位时间长达2ns。而添加1-辛硫醇的CdSe量子点电子自旋弛豫/退相位过程则是由超精细相互作用、电子载流子寿命以及电子和空穴或表面悬空键自旋交换相互作用共同主导,自旋退相位时间长达0.66ns。在强横向磁场下,添加两种空穴俘获剂的CdSe量子点电子自旋退相位时间均受限于非均匀退相位机制,但两者具有不同的g因子非均匀度。2.在T=5 K利用时间分辨法拉第旋转光谱法研究了二维单层MoS电子自旋动力学,发现单层MoS半导体中同时存在自由电子和局域电子。自由电子自旋在外加横向磁场下快速弛豫,且无旋进信号;局域电子则存在三个自旋进动频率,分别来自三种局域电子,且都具备两个自旋弛豫/退相位过程,慢过程的退相位时间长达6.9ns。在零磁场和弱磁场下,它们的慢过程由电子与原子核的超精细相互作用主导;在强横向磁场下,慢过程由非均匀退相位机制主导。而快过程则不依赖于横纵磁场,可能由相邻局域电子间的各向异性交换Dzyaloshinskii-Moriya相互作用所主导。3.利用时间分辨法拉第和克尔旋转光谱技术研究了Ga掺杂ZnO单晶电子自旋动力学,发现块体Ga掺杂ZnO单晶中同时存在自由电子和局域电子。低温下,两种电子的自旋信号都能观测到。随着温度增加,自由电子的自旋弛豫速率迅速增加,在温度高于100 K时已观测不到自旋信号。而局域电子在室温下仍具有很长的自旋退相位时间(长达5.2ns)。通过对激光波长依赖和能量密度依赖的测量,发现存在两种局域电子。两种局域电子的自旋退相位(弛豫)过程与横向(纵向)磁场无关,表明自旋退相位不是由g因子的非均匀性、电子与原子核超精细相互作用以及自旋与声子相互作用所导致。这两种局域电子的自旋退相位过程都是由相邻局域电子之间的各向异性交换Dzyaloshinskii-Moriya相互作用所主导。

关键词： 铁磁共振   Gilbert阻尼   双磁振子散射   磁拖曳效应   自旋电子学  

摘要： 磁性纳米材料的磁动力学研究是磁学的一个重要方向。在基于磁矩翻转的自旋电子学器件中,磁弛豫过程决定了器件中磁矩翻转的快慢和临界驱动电流的大小。同时,自旋电子学的发展使得基于电子自旋的信息处理和存储器件成为可能,其中关键技术之一是自旋流的产生和探测。而这关键技术在材料学中涉及到自旋流和电荷流之间的相互转换。理解自旋流和电荷流之间的相互转换,对于探索基于纯自旋流的新型低功耗器件应用而言是至关重要的。本论文主要利用铁磁共振技术对磁性纳米薄膜的动力学进行了表征,包括阻尼常数的调控以及其各向异性行为的研究。同时利用分子束外延技术成功制备了拓扑材料——拓扑超导以及铁电Rashba半导体,并对其自旋输运特性做了详细表征。主要包括以下内容:1.利用铁磁共振技术表征了斜入射生长的Fe Ga薄膜的磁动力学特性。对于斜入射生长样品,其阻尼因子呈现各向异性行为,而这与考虑晶格拉伸的第一性原理计算结果相悖。通过共振线宽与外场角度的依赖关系,我们发现由薄膜缺陷引起的双磁振子散射在磁弛豫过程中同样起到重要的作用。由斜入射生长方式产生的单轴各向异性会诱导出两重双磁振子散射通道,其强度随着斜入射角度的增大而加强。同时磁晶各向异性也会影响出现简并磁振子的最大角度,造成了材料本身与晶轴相对应的四重双磁振子散射的变化。2.利用扫频转角铁磁共振对外延Fe和多晶Py薄膜进行了动力学研究。由于强各向异性场的存在,外场与磁化方向的非共线导致了磁拖曳效应的出现。而在铁磁共振测试中,这可以导致共振线宽与频率的非线性现象,从而形成内禀阻尼呈现各向异性的假象。在考虑磁拖曳效应的贡献后,共振线宽与频率的非线性行为可以完全被拟合。3.利用分子束外延技术成功制备了拓扑超导材料β-Pd Bi以及Fe/β-Pd Bi异质结。我们利用铁磁共振激发的自旋泵浦以及逆自旋霍尔效应表征了β-Pd Bi室温下自旋输运参数,自旋霍尔角和自旋扩散长度分别为0.037和1.76 nm。其自旋流-电荷流转换效率比报道的常规超导体的值大一个数量级,与最好的重金属和拓扑绝缘体的值相当。此外,我们利用变温自旋泵浦测量发现,β-Pd Bi所具备的自旋极化表面态可以和邻近铁磁层发生耦合,从而使铁磁层诱导出面内各向异性。耦合效应在低温下急剧增强,同时大大减弱β-Pd Bi自旋流-电荷流有效转换效率。4.利用分子束外延技术成功制备了铁电Rashba半导体α-Ge Te。角分辨光电子能谱表明其同时具有体和表面Rashba态。我们发现α-Ge Te在室温下存在非互易电荷输运行为。结合能带结构测量和理论计算,非互易响应是由于巨大的体Rashba自旋劈裂引起的,而不是来源于表面Rashba态。值得注意的是,我们发现非互易响应的大小对温度表现出一种意想不到的非单调依赖关系。基于二阶自旋流-电荷流相互转换的扩展理论模型,建立起Rashba体系中非互易磁阻与电子自旋结构之间的关系。

关键词： 氧化物异质结   低维磁性   自旋重构   空间限域   界面效应   电荷转移   轨道极化   层间耦合  

摘要： 强关联过渡金属氧化物作为一类新型电子功能材料,长期以来因其内部多维度自由度间(自旋、电荷、轨道、晶格)强劲而稳健地耦合作用,赋予其极为丰富的物理内涵。其中庞磁阻锰氧化物家族作为一类高自旋半金属磁性材料,因在自旋电子学器件应用方面展示出的极大潜力,得到研究者的青睐。特别是在当前持续发展的界面工程与先进实验技术结合下,系列异质外延锰氧化物基关联多层膜、超晶格等低维全氧化物体系也因此得到了原子级精准构筑,这为低维物性调控与微观物理机制解理提供了良好的实验平台。基于其近邻界面处,多维自由度参量在空间、时域上更为复杂的纠缠作用,在异质界面处会产生大量有别于其块材的奇异物性与量子态,如高温超导、二维电子气、多铁耦合等,尤为突出的是其丰富的界面磁性更是为人工调控低维复杂氧化物自旋磁性结构带来无限可能并为发展多场调控与深入解理其物理内涵提供更多启示。然而长期以来锰氧化物体系因厚度降低与界、表面蜕化等使得并存的磁、电优异特性与功能性将受到“降崖式”抑制,难以满足实际应用需求。受启于二维本征铁磁体研究热潮并结合当前关联氧化物基功能材料实际应用受限的困境,我们在低维锰钌氧化物异质体系中开展了多种磁学性能诱导、优化与物理机制解理的研究,并在空间受限La0.67Ca0.33MnO3及La0.67Sr0.33MnO3等薄层的铁磁序增强、面内自旋重取向、层间耦合调控等方面取得了一些有趣进展。这种基于低维界面的物性调控与新型策略的开发将有望推动自旋电子学器件向后摩尔时代革新。本论文共包含以下七章内容。第一章首先简单介绍了钙钛矿型氧化物晶体构型与基本磁学物理属性。之后我们阐述了异质外延氧化物界面物理诱导与界面磁性多参量的调控。随后我们对近期低维关联过渡金属氧化物体系及二维本征铁磁体相关研究进展进行了回顾。最后简单总结了本章主要内容并列出了本文拟围绕低维锰/钌氧化物异质体系开展的研究计划。第二章简要介绍了文中外延薄膜制备方法与晶体结构表征、电磁性能测量手段。包括多晶靶材制备、薄膜沉积技术、X射线衍射与高分辨STEM显微学、吸收谱与光电子能谱以及低温磁、电物性测量设备。第三章基于前期实验基础,我们在La0.67Ca0.33MnO3/SrRuO3系列超晶格中借助界面电荷转移与近邻结构修饰,协同诱导出一种居里温度(TC)高达291 K的高温铁磁相,即使La0.67Ca0.33MnO3薄层厚度仅有4 u.c,其Tc仍能稳定在～285 K,并且这种增强的铁磁序依赖于异质结构的生长顺序。通过STEM微观结构分析、电子能谱表征以及理论计算,随后证实超晶格中高于其体材TC约30 K的高温铁磁相应源于电荷在两种锐利且非对称异质界面处(MnO2/SrO与La0.67Ca0.33O/RuO2)转移的差异及其伴生的B位离子位移“极化”对氧八面体畸变的抑制。原子尺度下这两种很少能协作的界面效应最终稳定了 La0.67Ca0.33MnO3薄层中的高温铁磁相。第四章在空间受限的[La0.67Ca0.33MnO3(1-6 u.c)/SrRuO3(2 u.c)]N超晶格中借助外延重复周期数N实现了对超薄层体系长程铁磁序的连续控制。通过连续增加N(1至15),极限薄层超晶格的铁磁序(TC)会被持续增强并在高周期处出现饱和现象,最大调控范围可达133 K,同时1-3 u.c厚的La0.67Ca0.33MnO3系列超晶格的饱和TC仍接近室温。进一步的实验表明钌氧化物层的金属性以及厚度能显著影响极限薄层铁磁序的调控范围。初步认为受限体系中这种外延重复周期数N依赖的可调铁磁性可能来源于一种载流子辅助增强的类RKKY型层间铁磁耦合作用。第五章系统研究了超薄锰/钌氧化物超晶格中外延重复周期数N驱动的面内自旋重取向问题。在[La0.67Ca0.33MnO3(6 u.c)/SrRuO3(2u.c)]N超晶格体系中,当伴随外延周期数N(N=1-15)的增加,该体系易磁化轴取向将被逐步从[010]方向转至[100]方向,最大磁各向异性常数达-1.83x105erg/cm3。随后借助XAS谱及微观结构分析,发现这种面内易磁性轴的连续切换取决定于外延周期驱动的应变工程与轨道工程间的相互竞争。当N<3时,沿[010]轴的各向异性应变引起的轨道极化会导致[010]取向的易磁化轴。但随着外延周期N的增加,沿正交[100]方向上,Ru4dxz/dyz轨道与Mn 3dx2-y2轨道之间增强的杂化效应将会与应变效应形成竞争,最终引起LCMO薄层易磁化轴转至[100]方向。第六章本节细致分析了间隔层厚度与环境温度对低维LSMO基非对称双层磁性结构中层间交换耦合行为的影响及其应用拓展。在磁化翻转顺序确定的组分非对称(CaRu0.5Ti0.5O3/La0.67Sr0.33MnO3/CaRu0.5Ti0.5O3/La0.67Sr0.33Mn

关键词： Coupled nonlinear Schr(?)dinger system   subcritical Sobolev exponent   critical Sobolev exponent   fully nontrivial ground-state solutions and synchronized ground-state solutions  

摘要： In this thesis,we study the existence of fully nontrivial ground-state solu-tions and synchronized ground-state solutions of the following coupled nonlinear Schrodinger system(?)for m=2,3 under suitable assumptions,where Ω(?)RN is a bounded domain or RN,N≥ 3,F(t1,t2…,tm)∈C1(Rm,R),κi∈R,λ>0 is large enough and gi∈C(R),(i=1,2,…,m).This thesis is divided into five chapters,the main contents are organized as follows:In Chapter 1 we mainly introduced the physical background,discussed some results,gave suitable assumptions for this work and presented the main *** Chapter 2 we provided some preliminary knowledge,then introduced two main propositions and a variational *** 3 is devoted to the subcritical case of(0.1).We consider the following system(?)where Ω(?)RN is a bounded domain,N≥ 3,F(t,s)∈ C1(R2,R),κ1,κ2∈R,λ>0 and g1,g2 ∈ C(R).Firstly,we make some assumptions for the functions g1,g2,then by establishing the Palias-Smale condition and Nehari ***,Theorem 1.1 has been proved in this *** 4 deals with the critical *** this chapter we study the systems(?)and(?)where μi>0,pij>1,pij+pji=2*,i≠j,i,j=1,2,3 and Ω is a bounded *** the minimization problem,we investigated the existence of a grounded-state solution which is synchronized for the former *** by variational method,we found a ground-state solution to(0.4)which is fully ***,in Chapter 5 we revisit to the critical system(0.4)with κ1=κ2=κ3=κ to discuss ground-state *** considering a minimizing problem as[26],we show that all ground state solutions are synchronized for 0<λ<λ1 and N≥4,where 0<λ1<λ2<…<λm<…are the eigenvalues of-Δ in H01(Ω).

关键词： PET探测器   康普顿效应   晶体间散射事件   第一作用点  

摘要： 正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)是一种能够无创、动态地获取生物体内组织、器官生化反应和代谢信息的功能成像技术,在临床诊断和新药研发等领域有重要应用。在PET探测器中,由康普顿效应引起的晶体间散射现象会造成入射伽马光子的能量在多个位置通道沉积,给符合事件的甄别带来困难,从而影响PET系统的灵敏度和空间分辨率。为了改善晶体间散射事件对PET系统性能的影响,本文研究了晶体间散射事件的位置、能量和时间分布特征,并根据这些特征提出了基于能量值和时间差的晶体间散射事件第一作用点识别算法。文中从仿真和物理实验两个方面对晶体间散射事件进行研究,在仿真中使用基于Geant4的蒙特卡罗平台构建6×6通道硅酸钇镥(Lutetium-Yttrium Oxyorthosilicate,LYSO)晶体和硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,Si PM)一对一耦合的PET探测器,仿真晶体内康普顿效应过程,通过筛选得到沉积于伽马光子入射通道及周围八个通道的两通道响应晶体间散射事件。在物理实验中设计了与仿真中结构相同的PET探测器,使用高速示波器并设置识别条件获取同样位置的两通道响应晶体间散射事件。将获得的两通道响应晶体间散射事件的位置、能量和时间信息进行提取并对比分析,仿真和物理实验结果均表明两通道响应晶体间散射事件的位置、能量和时间分布具有明确的特征。基于晶体间散射事件的物理特征,文中对两通道响应晶体间散射事件中能量值和时间差的关系进行研究,根据研究结论提出了基于能量值和时间差的晶体间散射事件第一作用点识别算法。将该算法用于康普顿效应第一作用点所在位置通道的识别并进行了实验评估,结果显示该算法在第一作用点识别中具有84.1%的准确率,可使有效单事件计数率提高15.0%,对提高PET系统性能具有积极意义。

关键词： 拓扑绝缘体   拓扑能带   自旋泵浦   自旋电荷流转化   自旋寿命  

摘要： 自旋流和电荷流之间的相互转化一直以来都是自旋电子学研究的重要方向。电荷流产生的自旋流可以实现对磁性材料中磁矩进行有效操控,例如,利用自旋转移力矩或自旋轨道力矩驱动的磁矩进动、畴壁位移、磁矩反转等;自旋流产生的电荷流可以运用到自旋流和磁状态的探测、太赫兹波的发射等,相关现象都是自旋电子器件应用的基础。目前研究的非磁材料主要有两类可以有效地实现自旋和电荷流的转化,一类是重金属材料,另一类是拓扑绝缘体材料。其中拓扑绝缘体由于具有新颖的自旋-动量锁定的拓扑态,其自旋流-电荷流之间的转化相当高效。并且和一般的重金属相比,其能带具有易于调控的特性,为实现高效的自旋流-电荷流转化提供了理想的研究体系。本论文利用分子束外延技术,生长了三维拓扑绝缘体Bi2Se3、拓扑绝缘体异质结、拓扑绝缘体超晶格,通过角分辨光电子能谱及自旋泵浦测量,系统研究了拓扑能带调控与自旋流-电荷流转化机制的关联。主要内容如下:1.采用分子束外延技术在SrTiO3(111)衬底外延生长了拓扑绝缘体Bi2Se3。进一步地,我们在Bi2Se3表面外延生长了 Bi,成功构筑了拓扑绝缘体异质结Bi/Bi2Se3。通过角分辨光电子能谱测量,我们确定了 Bi2Se3中的单一拓扑表面态,并发现Bi/Bi2Se3中的Bi对拓扑表面态的调制以及共存的Rashba表面态。为了探究拓扑能带变化带来的自旋输运改变,我们采用自旋泵浦手段发现Bi带来的能带调控可以极大增强自旋泵浦效应,并且使得自旋流-电荷流转化效率λIEE(λIEE=Jc2D/JS3D,Jc2D为电荷流密度,JS3D为自旋流密度)随着Bi的厚度呈现非单调的变化。结合能带和模型分析,我们揭示了自旋泵浦效应增强以及λIEE非单调变化的能带起源。2.采用分子束外延技术我们分别在Si(111)以及Al2O3(0001)衬底上外延生长了(Bi2-Bi2Se3)低维超晶格。我们通过交替堆叠Bi2和Bi2Se3,首次实现了不同截止面、多周期的低维超晶格结构。结合能带测量和第一性原理计算,我们发现不同的截止面呈现了不同的拓扑态,并且拓扑态随着周期变化而演化。对于Bi2Se3截止面来说,其呈现出双拓扑的特性,既有时间反演对称性保护的拓扑绝缘体态又有镜面对称性保护的拓扑晶体绝缘体态。对于Bi截止面来说,其呈现出单个的Dirac表面态并且在费米能级附近具有巨大的自旋动量劈裂。结合自旋泵浦和自旋Hanle测量,我们发现Bi截止面具有极大的λIEE,达到了 1.26 nm,而Bi2Se3截止面具有相当大的自旋寿命,达到1 ns。随着超晶格周期的增加,我们还发现了电荷转移效应带来的费米能级调控,进而导致了λIEE的变化。除此以外,我们也对CoFeB/Ir中的自旋泵浦效应进行了探究,给出了 CoFeB/Ir的自旋混合电导以及自旋扩散长度,揭示了 Ir被忽视的强自旋-轨道耦合属性。

关键词： 癫痫预测   小波包能量   滑动窗口技术   支持向量机   后处理  

摘要： 癫痫是二十一世纪危害性极大的脑部疾病,目前世界上约有5000万患者遭受癫痫带来的痛苦。因此对癫痫发作进行提前预测,减少癫痫发作对患者造成的二次伤害尤其重要。本文从脑电信号能量特征出发,采取时频分析中常用的小波包分解对癫痫发病预测进行探讨。同时为了提高识别准确率,将滑动窗口技术引入特征提取过程中并提出一种基于阈值的后处理算法,通过实验验证了算法的有效性,具体研究内容如下:首先对癫痫信号进行五层小波包分解,重点分析了前8个节点。提取出癫痫1号、2号、3号病人的小波包能量特征,并对每个病人的前两次发作数据进行实验。通过分析小波包能量图发现在癫痫发作前的400 2300秒,小波包能量会显著增加,之后趋近于0,待癫痫发作后能量值又重新增加。而且对于前4个频段0 16Hz,信号的能量的变化更加明显,后四个频段16 32Hz信号能量增加这一特征变弱了很多。其次为了使癫痫特征更加明显,对于提取出来的小波包能量特征进行了进一步的优化处理。采取两种优化方法,其一为引入滑动窗口技术,对癫痫病人1号和2号第一次发作进行分析,分别分析10秒无重叠、10秒50%重叠、20秒无重叠、20秒50%重叠窗口提取效果。发现使用了重叠窗口之后,同一频段内,小波包系数包含的信号有效信息更多、信号的分辨率更好,也能更直观的观测到小波包能量在发作前期及发作期的变化情况;其二为对小波包能量进行归一化处理,减少小波包总能量对于信号的影响。只计算小波包能量在不同频率成分中所占的比例,通过分析癫痫数据库中的癫痫数据样本,发现癫痫发作各个频段具有各不相同的占比,一般来说0 4 Hz的占比略高一些。接着提取出可以很好表征癫痫发作前期及间期的特征之后,在分类识别方面应用了分类效果较好的支持向量机作为分类方法。将相对小波包能量特征与支持向量机相结合进行发作预测。首先通过仿真实验从四种窗口中选择最佳的10秒50%重叠窗口,接着为了进一步提高分类准确率,应用粒子群优化算法对支持向量机的参数进行优化,提取出最佳的参数组合用于发作前期样本与发作间期样本的识别,并将该种方法与网格搜索和随机参数寻找两种方法进行对比,发现该种优化方法运算时间明显缩短,准确率却显著提高。最后将优化后的支持向量机用于癫痫发作预测,10名癫痫病人的平均准确率为81.16%,平均敏感性为77.3%,平均特异性为84.97%,平均误报率为0.46次/小时,平均预测时间为9.09分钟。最后为了对支持向量机的输出结果进行优化处理,同时进一步减少癫痫发作系统的误报率、提高系统预测时间。本文提出一种基于阈值的癫痫发作预测后处理方法,在发作前期时间选取为发作前20分钟,窗口为10秒50%重叠窗的情况下,对癫痫数据集中的10名患者进行分析。发现使用了本文的阈值后处理方法之后,癫痫发作预测系统的平均误报率为0.0495次/小时,平均预测时间为13.1分钟,与未使用该与之方法之前相比均有所提升,充分证实了本文提出的阈值方法的有效性。

关键词： 亚铁磁合金   超快退磁   退磁时间   磁化进动和阻尼   3d-5d6s-4f交换耦合作用  

摘要： 现代磁存储工业亟需解决的两大问题分别是提高磁记录介质密度和获得较快的读写速度,而目前写入速度极限约为百皮秒量级。飞秒(fs)激光诱导的超快自旋动力学提供了一种在亚皮秒时间域内操控自旋的有效方法,在提升磁记录写入速度中具有巨大的应用潜力。近年来,稀土(RE)过渡金属(TM)亚铁磁性合金被认为是高密度、低功耗磁存储器件理想的候选材料之一,并且由于其同时具有4f局域电子和3d巡游电子的磁机制特征而表现特殊的光诱导磁化动力学行为,受到科研工作者的广泛关注,然而光诱导RE-TM亚铁磁性合金的磁化动力学微观机制迄今为止尚无定论。通过探索光诱导能量有效传递的物理机制是调制RE-TM合金的超快自旋动力学的关键,并且对设计和研制超高密度的高速磁存储器件也至关重要。因此,本论文以Gd Co Fe亚铁磁性合金作为研究对象,利用时间分辨的磁光克尔效应(TR-MOKE)系统,系统地研究了不同Gd成分的Gd Co Fe合金的光诱导超快退磁以及磁化进动过程,从而深入探索了亚晶格间3d-5d6s-4f交换耦合作用对其退磁时间、进动频率和吉尔伯特阻尼因子的调制规律。具体内容和结论如下:(1)Gd Co Fe合金的fs激光诱导的能量传递是由原子内和亚晶格间交换耦合共同决定的。探索亚晶格的交换耦合作用对光诱导能量从3d自旋传递到4f自旋的影响是研究其光诱导超快动力学中的能量传递效率的关键。我们利用TR-MOKE研究了Gd Co Fe合金薄膜的磁化动力学行为。根据Gd成分的不同,光诱导的超快退磁过程有三种模式:一步退磁、连续两步退磁和不连续两步退磁模式。一步退磁时间在几个ps以内,随x的增加呈非单调变化,在磁化强度成分补偿点附近达到最大值。两步退磁只发生在成分补偿点附近,第二步退磁时间可达到几十皮秒。我们将不同的退磁现象归因于3d和4f自旋间能量传递通道的建立,这可以用Elloitt-Yafe型自旋翻转散射理论和具有特定3d-5d6s-4f交换耦合常数的四温度模型来解释。(2)我们系统地研究了Gd Co Fe亚铁磁合金薄膜的光诱导磁化动力学过程,并获得了其进动频率f、有效朗德因子g、吉尔伯特阻尼常数α与Gd成分的依赖关系。我们观察到在Gd Co Fe亚铁磁合金薄膜的角动量补偿点附近的进动峰快速衰减,这与角动量补偿点附近强的3d-5d6s-4f交换耦合作用导致能量的快速耗散相关。实验发现α、g在角动量补偿点附近显著增大,这与通过基特尔一致进动理论模型计算的结果一致。但是f与之前相关工作表现出相反的趋势,这可能与随着Gd的增加,Co Fe的柱状生长引起形状效应所致。本论文通过系统地研究了3d-5d6s-4f交换耦合作用对光诱导超快退磁和磁化进动过程的调制规律,为实际应用提供了一种操纵超快退磁和磁化动力学的有效方法。