磁序与拓扑的耦合:从基础物理到拓扑磁电子学

磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科,二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础.磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物,为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度.磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态,通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应;而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力.当前,新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征,而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野.这两个阶段的深入发展,将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试.本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段,讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面,阐述当前领域内的热点内容和发展趋势,并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望,以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.

氧化物中存在O2p空穴的典型实验结果和磁性氧化物的O2p巡游电子模型

负二价氧离子具有满壳层价电子结构(2s^(2)2p^(6)).负一价氧离子的价电子结构为2s^(2)2p^(5),相当于存在1个O2p空穴.传统的凝聚态物理和材料化学研究中都假设氧化物中的氧离子全部为负二价离子,在迄今为止的绝大多数研究氧化物磁性和电输运性质的报道中,采用关于磁有序的超交换和双交换作用模型,都没有考虑O2p空穴的影响.然而,许多价电子状态实验证明,在氧化物中存在不可忽略的O2p空穴,即存在不可忽略的负一价氧离子,其占比可达30%或更多.基于这些实验结果,对传统磁有序模型进行改进,英美学者首先进行了探讨,笔者所在课题组与中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室合作进行了系统的研究.介绍了相关的典型实验结果和理论模型.

超快自旋动力学:从飞秒磁学到阿秒磁学

超快自旋动力学是研究材料受到外场激发后,在皮秒至阿秒时间尺度下其自旋的运动行为.随着激光技术的不断提升,1996年开始的飞秒磁学成为磁学中的重要研究领域,是实现更快响应的新型自旋电子学器件的重要技术途径.尽管已有几十年的历史,飞秒磁学依旧存在着非常多的物理问题尚未解决,而理解这些问题需要研究更快时间尺度下的自旋动力学过程.利用阿秒激光脉冲与磁性材料的相互作用,可研究亚飞秒乃至阿秒时间尺度下、元素分辨的自旋动力学行为,即阿秒磁学.本文介绍了超快自旋动力学近年来的一些重要研究进展以及存在的问题,阿秒磁学研究的机遇与挑战,并对超快自旋动力学的未来发展趋势及前景进行分析与展望.

磁畴壁拓扑结构研究进展

拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势,有望提高数据读写精度、降低功耗,从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件,为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持.但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点,严重阻碍了其在实际器件中的应用,因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键.本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来,利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作.首次在范德瓦耳斯Fe_(5–x)GeTe_(2)二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链,研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为,揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制.在该机制指导下,设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜,不仅获得了磁畴壁麦纫,验证了生成机制的普适性,还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变,开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展拓扑磁性物态探索和研究的新方向.

钙钛矿氧化物专题·前言

钙钛矿氧化物具有ABO_(3)化学式,是地球上含量最多的矿物之一。1839年,德国化学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山发现了第一种钙钛矿氧化物材料:钛酸钙(CaTiO_(3))。为纪念俄罗斯矿物学家Lev Perovski,钙钛矿的英文名字被命为Perovskite。钙钛矿的A、B位具有极为丰富的离子组合方式(A位容纳较大的阳离子;B位容纳较小的阳离子,如磁性过渡金属离子),元素周期表中约90%的金属元素可以占据这两个位置之一。

La-Fe基NaZn_(13)型化合物的磁场诱导熵变研究

围绕具有一级磁性相变的La-Fe基NaZn13型化合物的磁场诱导熵变研究,从室温磁制冷目的出发讨论了材料研究和熵变机制。La-Fe-Si在190K附近5T磁场下的熵变值可达29J.kg-1.K-1。用少量Co替代Fe,可以获得室温附近5T磁场下熵变为15J.kg-1.K-1的大熵变材料。这类材料中的熵变主要由磁有序熵变和晶格熵变组成。分析了一级磁性相变体系中磁有序熵变和晶格熵变对总熵变的贡献,并发现大的熵变来源于被晶格贡献抵消后的磁有序熵变。

硅基自旋光电子学太赫兹辐射源特性

将光电子器件集成到硅片上是光电子集成器件研发的首要步骤.自旋光电子学太赫兹辐射源,通常是由纳米厚度的铁磁/非磁性金属多层膜结构组成,在飞秒激光辐照下能产生高质量、宽带太赫兹脉冲辐射.本文利用飞秒激光脉冲在生长于硅衬底上的Ta/CoFeB/Ir铁磁/非磁性金属异质结中实现了高效、宽带的太赫兹相干脉冲辐射.首先,Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹脉冲的极性随外加磁场的反转而反转,太赫兹辐射的物理机制可以归结为超快自旋流-电荷流转换.其次,通过改变抽运激光的激发能量密度,研究了Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹辐射饱和现象.此外,通过研究Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹发射特性随Ir层厚度的依赖关系,不仅优化了器件的辐射强度,而且获得了Ir层在太赫兹频率下的自旋扩散长度(~(0.59±0.12)nm).该值小于通过自旋抽运技术获得的GHz频率下的自旋扩散长度(1.34 nm),表明不同频率范围对应于不同的电子输运机理.

磁电阻效应的研究进展

介绍了磁电阻效应的研究状况和进展，总结了铁磁金属的磁电阻效应、磁性多层膜和颗粒膜的巨磁阻效应、磁隧道电阻效应及氧化物铁磁体的超大磁阻效应的理论模型，并简要分析了磁电阻效应的物理机制．

室温磁制冷材料的研究现状及发展前景

制冷业耗能占社会总耗能的15%以上。目前普遍使用的气体压缩制冷技术的卡诺循环效率最高仅为25%左右,而且气体压缩制冷中使用的气体制冷剂会破坏大气臭氧层并引起温室效应。探求无污染、绿色环保的制冷材料和研发新型低能耗、高效率的制冷技术是当今世界需要迫切解决的问题。磁制冷技术具有绿色环保、高效节能、稳定可靠的特点,近些年来已经引起世界范围的广泛关注。具有磁热效应的材料是磁制冷技术的关键。重点综述了当今室温磁热材料的研究现状。为了使该项技术走向工业化和实用化的道路,提出改进并优化磁制冷工质的性能是未来的研究方向。

溶胶法制备粒状合金固体Fe_(0.10)Co_(0.05)-(SiO2)_(0.85)的研究

首次用溶胶法制备出了Fe0．10Co0．05－（SiO2）0．85粒状合金固体。这种粒状合金固体是一种纳米复合材料，由嵌在SiO2母体中的Fe－Co合金颗粒构成。本文报告这种材料的基本制备方法以及还原温度对其磁学性质的影响。

从物理发现到成功应用——兼谈2007年度诺贝尔物理学奖授予巨磁电阻效应发现者

法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grünberg因发现巨磁电阻效应(GMR)而获得2007年度诺贝尔物理学奖。通过介绍他们的突出贡献及该领域的其他相关重要工作,梳理了近20年时间里,巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应(TMR)从物理发现到人工制备和优化多种纳米磁性多层膜、磁性隧道结(MTJ)材料,以及被成功应用于计算机磁读头、磁随机存储器和多种磁敏传感器的发展历程,展现了该领域现阶段有重要应用前景的一些热点课题。

(Nd_(1-x)Y_x)_3Fe_(27.31)Ti_(1.69)化合物的结构与磁性研究

制备了 ( Nd1 - x Yx) 3 Fe2 7.3 1 Ti1 .69( 0≤ x≤ 0 .6 )系列化合物 ,通过 X射线衍射和磁性测量等手段研究了它们的结构和磁性 .这些化合物均为 Nd3 ( Fe,Ti) 2 9型结构 ,A2 /m空间群 .化合物晶胞体积随 Y含量增加而单调减少 ,居里温度 Tc随 Y含量增加略有降低 ,说明化合物的居里温度主要由 Fe-Fe之间的交换相互作用所决定 .温度为 5 K时 ,饱和磁化强度 Ms 随 Y含量的增加而单调降低 ,与一个简单的稀释模型预期结果一致 .所得化合物在低温下均发生自旋重取向 ,自旋重取向温度 Tsr随 Y含量增加而单调降低 ,从 x=0时的2 32 K减小到 x=0 .6时的 1 2 1 K.基于磁晶各向异性的研究结果确定了所得化合物的自旋相图 .

用Rietica处理中子粉末衍射实验数据的方法

介绍了基于Rietveld轮廓精修方法的粉末衍射轮廓精修程序Rietica处理中子粉末衍射数据的方法,并以钙钛矿锰氧化物La0.69Ca0.31Mn0.96Fe0.04O3的拟合过程为例,具体说明了输入参数文件和数据文件的编写方法和程序运行方法。

金属单晶生长和相关物理工作的结合

从近几年的工作结果中总结了一些单晶生长和物理研究相结合的体会。在基础研究中 ,单晶生长工作仍具有本身的优势和特点。单晶样品促进了物理的深入 ,物理工作也帮助了生长方法的提高。积极参与物理问题的研究 ,可以具有材料制备和基础研究两方面的能力。物理工作对材料科学的指导意义可以使我们的单晶生长事半功倍。

Tb_(0.3)Dy_(0.7)(Fe_(1-x)Al_x)_(1.95)合金的结构、磁致伸缩性能和自旋重取向研究

本文系统研究了室温下Tb0 3 Dy0 7(Fe1-xAlx) 1 95(x =0 ,0 0 5 ,0 1,0 15 ,0 2 ,0 2 5 ,0 3,0 35 )合金中金属Al替代Fe对晶体结构、磁致伸缩、内禀磁致伸缩、各向异性和自旋重取向的影响。结果发现 ,x <0 4时 ,Tb0 3 Dy0 7(Fe1-xAlx) 1 95完全保持MgCl2 立方Laves相结构 ,晶格常数a随Al含量x的增加而增大。磁致伸缩测量发现 ,随着替代量x的增多磁致伸缩减小 ,x >0 15时超磁致伸缩效应消失 ;x <0 15时磁致伸缩在低场下 (H≤ 4 0kA/m)有小幅增加 ,高场下迅速减小 ,而且易趋于饱和 ,说明添加少量Al有助于减小磁晶各向异性。内禀磁致伸缩λ111随Al替代量x的增加大幅度降低。穆斯堡尔效应表明 ,Tb0 3 Dy0 7(Fe1-xAlx) 1 95合金的易磁化方向随成份和温度在{ 110 }面逐渐偏离了立方晶体的主对称轴 ,即自旋重取向。室温下 ,当x =0 15时 ,Tb0 3 Dy0 7(Fe1-xAlx) 1 95合金中出现了少量非磁性相 ;x >0 15时 ,合金完全呈顺磁性。

宽线核磁共振及其在凝聚态物理中的一些应用

核磁共振是物理学的一个独立分支学科，又是研究物理学的其他分支学科的有力工具。简单介绍对宽线核磁共振测量的特殊要求，举例说明宽线核磁共振在研究高分子溶液、液晶、固态高分子、离子导体、无机晶体和磁性材料中的应用。

YMn_6Sn_(6-x)M_x(M=Ga,Ti)化合物的结构和磁性研究

:制备了 YMn6 Sn6 - x Gax( x =0 .3,0 .6 ,0 .9,1.2 ,1.5 ,1.8)和 YMn6 Sn6 - x Tix( x=0 ,0 .2 ,0 .4,0 .6 ,0 .8,1.0 )化合物 ,通过 X射线衍射和磁性测量手段对其结构和磁性进行了研究 ,实验表明 ,所有这些化合物均为 Ca Cu5型六方结构。对 YMn6 Sn6 - x Gax 研究表明 ,晶格参数和晶胞体积均随 Ga含量的增加而线性减小 ,磁性测量表明 :当x≥ 0 .3时 ,化合物由反铁磁性转变为铁磁性或亚铁磁性 ,随 Ga含量增加 ,该化合物的居里温度先增高 ,在 x=0 .6达到最大值 ,然后居里温度又逐渐降低。饱和磁化强度开始随 Ga含量的增加而增大 ,当 x>1.2时 ,随 Ga含量的增加而减小。对 YMn6 Sn6 - x Tix 研究表明 ,晶格参数和晶胞体积均随 Ti含量的增加而线性增大 ,磁性测量表明 ,当 x≥ 0 .6时 ,化合物由反铁磁性转变为铁磁性或亚铁磁性 ,随 Ti含量增加居里温度 (或奈耳温度 )呈线性下降 ,饱和磁化强度开始随 Ti含量的增加而增大 ,当 x>0 .6时 ,随

酸度对纳米颗粒体复合材料Fe-SiO_2磁学性质的影响

用溶胶法制备出了Fex－（SiO2）100-x纳米复合材料，并就制作工艺中酸度对材料的磁性参数的影响，作了类比实验及分析，逐步地改进了实验方法，取得了较好的效果．

La_(1-x)Ca_xMn_(0.96)Fe_(0.04)O_3(x=0.31、0.5、0.6)的中子衍射研究

利用Rietveld分析方法对钙钛矿锰氧化物La1-xCaxMn0.96Fe0.04O3(x=0.31、0.5、0.6)室温下中子衍射实验数据进行拟合。结果表明,La1-xCaxMn0.96Fe0.04O3化合物具有MnO6八面体,空间群为Pnma,La(Ca)原子占据4c晶位,Mn(Fe)原子占据4b晶位,O原子分别占据4c和8d晶位。根据拟合结果,计算出Mn O键的键长和Mn O Mn的键角,并对该系列样品结构和磁性能间的关系进行了简单讨论。

La2／3Ca1／3Mn1-xCrxO3(x=0．0,0.1)晶体结构的中子衍射研究

采用传统高温固相反应法合成钙钛矿型多晶样品。在室温下分别测量了La2/3Ca1/3Mn1-xCrxO3(x=0.0,0.1)的中子粉末衍射谱,采用Rietveld峰形精修方法对衍射数据进行拟合,得到样品晶胞参数和原子坐标,根据原子坐标计算了与稀土锰氧化物宏观磁性能密切相关的锰氧键的键长和键角。