磁性测量概论-2004年

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目的1磁性测量概论能够测量什么量？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？量值溯源量具检定计量Metrology2•磁性的起源：原子磁矩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：±μN原子磁矩＝电子磁矩＋原子核磁矩Pauli 不相容原理＋Hund 法则固有•磁有序的起源：交换相互作用无交换相互作用交换相互作用间接直接超量子力学效应全同粒子•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系统磁稀释系统共线非共线磁无序抗磁性顺磁性抗磁性顺磁性－－顺磁性－－顺磁性核抗磁性核顺磁性（核磁性）磁有序铁磁性非共线铁磁性散铁磁性超铁磁性自旋玻璃（玻磁性）核铁磁性反铁磁性非共线反铁磁性散反铁磁性超反铁磁性混磁性核反铁磁性亚铁磁性非共线亚铁磁性散亚铁磁性－－？核亚铁磁性超顺磁性－－•物体的磁性（表观@内禀）制备工艺相关物理原理决定尺寸效应（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•磁性测量的现状一、直接测量原子的磁矩二、间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？间接测量单原子：假设、计算统计平均：总体平均原子核磁矩？再谈•磁性测量原则各种谱物质力、声热电磁光粒子人盘点我们的本事•磁性测量原理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间接测量－直接测量•电磁感应原理面积A磁通量Φρ=⋅∇Dt ∂∂-=⨯∇B E0=⋅∇Bt∂∂+=⨯∇D j H0⎰⎰⋅-=Φ-=⋅=SL SB L E Bd dt d dt d d εSB d ⋅=Φ⎰S•物理效应之一：磁－电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)一般磁致电阻效应（OMR ）回旋共振（载流子、离子）Shubnikov －de Haas 效应Hall 效应量子Hall 效应经典Hall 效应分数Hall 效应整数Hall 效应磁场中的电输运•物理效应之二：磁－光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Zeeman 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）光透射模式发光光谱光子散射光反射模式Kerr 效应纵向Kerr 效应极向Kerr 效应横向Kerr 效应•物理效应之三：磁－力（声）磁振子－声子相互作用磁声效应磁力效应磁致伸缩旋磁效应扭矩效应交变梯度磁强计磁秤（常用的有7种）转矩压磁效应线性效应体效应圆周效应Guillemin 效应横向Joule 效应Brackett 效应Joule 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•物理效应之四：磁－热磁致温差效应磁热效应磁卡效应磁场敏感器件•物理效应之五：磁－磁中子散射（衍射）磁振子相互作用磁结构确定磁畴观测Lorentz 力杂散磁场效应磁力（MF ）显微法Bitter （粉纹）法•磁相关共振亚铁磁共振（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 ）Mössbauer 效应自旋共振Zeeman 能级回旋共振Landau 能级回旋共振（载流子、离子） －SR•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: 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: 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: 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•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其乐无穷•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P RO C E S S O R B U SC o n d i t i o n i n gT i m i n gA /DD /A D I /OT I /O D I S P L A Y A N D C ON T R O L 488 P O R T 礟M a t h ME M O R Y 礟R OM P R O C E S S O R B U S C on d i t i o n i n g T i m i n gA /D D /AD I/O T I /O DISPLAY AND CONTROL488 P O R T 礟M a t hM E M O R Y礟R O MC o n o P a n e F o wP es s u e A a m C o nd on sS TO PT em p e a u e•磁性测量：虚拟仪器Virtual Instrumentation--Computer Based Instruments•磁性测量：虚拟仪器待发展虚拟仪器系统(引用)GPIBSerialDAQProcessorUnit UnderTest VXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware & Driver Software •Measurement Studio •LabVIEW25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1.粒子磁矩：质子、中子、电子、介子；原子、离子；分子、原子团、颗粒…2.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3.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…4.材料与外界条件的相互作用：磁力、磁光、磁热、磁电、共振…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4、磁场偏转（Stern －Gerlach 实验）：中子、质子、介子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 )5、原子核磁矩：核磁共振（NMR ）、自旋回波（spin echo ）Mössbauer 效应、μ－介子自旋共振（μ－SR ）中子衍射（抑制电子的磁性散射）Candidates for the most beautiful experiments in physics（Robert P Crease,纽约石溪分校）1.Stern －Gerlach 实验（1922年）：电子自旋2.Michelson －Morley 实验（1887年）：光传播3.Cavendish 实验（1776年）：空球壳的电荷分布、电荷作用4.Weber －Kohlrausch 实验（1856年）：静止电荷与运动电荷关系5.吴健雄实验（1956年）：弱相互作用的宇称不守恒…蓝色：另有专题自由粒子的磁矩：－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。

再谈4自旋与轨道磁矩的测量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再谈5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：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NMR、Mössbauer谱谨慎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－有效方法不多－点阵分辨相变方法：－温度依赖关系＋理论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交换相互作用－磁结构磁偶极作用－？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、磁二色谱物体外的磁场－空间1、地球范围内的磁场－基本解决各种磁场传感器：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）物体内的磁场－办法不多1、分子场（交换场）－困难分子场（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？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。