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.

Co2FeAl合金薄膜在垂直外磁场下的超快自旋动力学

文章通过使用时间分辨磁光克尔光谱技术研究了Co2FeAl赫斯勒合金薄膜在施加垂直外磁场下的激光诱导超快自旋动力学。实验结果表明,在严格垂直外磁场下同时激发出表面波模和驻波模两种自旋波模式,且均呈现出自旋波频率随磁场增大而减小的特殊现象。此外,通过衰减特性研究发现,驻波模的磁阻尼因子与外磁场并无明显依赖关系,而表面波模的磁阻尼随磁场增大而增大。通过分析表面波模的群速度讨论了该模式磁阻尼外场依赖特性的成因。实验揭示了钴基赫斯勒合金薄膜在严格垂直外磁场下的自旋波动力学性质,对于推进该类材料在新一代自旋电子器件中的应用具有积极意义。

TbFeCo薄膜激光诱导超快自旋动力学的成分比研究

采用基于磁光克尔效应的泵浦-探测技术研究不同成分比TbFeCo磁性薄膜的激光诱导超快自旋动力学过程,成功观测到具有几百飞秒的超快退磁以及几十皮秒的慢退磁的两步退磁现象.根据四温度模型,TbFeCo中的第一步超快退磁现象是由电子-自旋作用引起,第二步慢退磁现象是由晶格-FeCo自旋-Tb自旋作用引起的.不同成分比TbFeCo样品的对比实验显示,随着Tb含量增加,两步退磁程度减弱,第二步慢退磁时间增大,进一步验证四温度模型的合理性.

飞秒激光加工中等离子体超快动力学过程观测及烧蚀机理研究

飞秒激光加工技术作为一种重要的微纳制造手段,已经在攻克某些国家重大工程中的制造共性挑战提供了关键技术,是高端制造前沿之一。但是由于其超快、超强的特性,飞秒激光加工过程是一个非线性、非平衡、多尺度的复杂物理化学过程,与传统激光加工过程有显著差别,仍需要深入探究。本论文针对飞秒激光加工中尚存在的难点问题,设计并搭建了超快时间分辨泵浦探测系统,对飞秒激光加工中的等离子体超快动力学过程进行深入研究。基于该系统,本论文测量了飞秒激光加工中的等离子体自由电子密度和自由电子弛豫时间.

飞秒激光脉冲作用下氧化镁的烧蚀及其超快动力学过程

研究了双面抛光氧化镁单晶(111)表面800nm飞秒激光单脉冲烧蚀阈值和激光脉宽的依赖关系.利用泵浦-探针技术,测量不同能量和脉宽作用下飞秒激光烧蚀的时间分辨反射率的演化.通过扫描电镜观察其烧蚀形貌,发现大量的沿氧化镁[100]晶向开裂的裂纹.讨论了表面裂纹的形成机理,并解释了飞秒激光烧蚀氧化镁的超快动力学过程.

飞秒激光作用下单晶硅表面载流子的超快动力学研究

利用飞秒激光泵浦-探测技术研究单晶硅在不同脉冲能量作用下的瞬态反射率变化,进而分析单晶硅表面载流子的超快动力学过程。实验所用飞秒激光脉冲宽度为120 fs,泵浦光和探测光波长分别为400和800 nm。研究结果表明:飞秒激光作用后,单晶硅表面反射率变化迅速达到峰值,然后经历一个快弛豫过程和一个慢弛豫过程。快弛豫过程包括载流子-载流子散射和载流子-光学声子散射,慢弛豫过程包括载流子复合过程和扩散过程。利用双e指数模型对实验结果进行拟合,求出双e指数系数C及快弛豫时间τf。通过实验数据对比分析发现,泵浦光脉冲能量越大,快弛豫时间越长,所占的比例越大。

高反Al_2O_3/SiO_2膜内超快激光预损伤动力学过程

利用紫外飞秒激光光谱技术研究了Al_2O_3/SiO_2高反射膜内的超快载流子动力学。通过实验,发现该反射膜Al_2O_3层的载流子动力学在紫外反射膜的激光诱导损伤中起着至关重要的作用。通过泵浦-探测实验,发现紫外飞秒激光与光学薄膜作用后,光学薄膜反射率有所下降,且探测光反射率变化的峰值在约2.3 ps的时间内从417 nm左右转移到402 nm左右。为了更好的解释激光诱导载流子动力学,一个具体的理论模型被提出来,该模型指出导带自由电子弛豫过程中与晶格相互作用,产生距导带一个光子能量的中间缺陷态,其初始电子密度影响了材料损伤阈值高低。通过该理论模型得出的激光损伤阈值数据和实验数据吻合得很好。

近红外飞秒激光作用下金膜中的超快电子动力学

利用超快泵浦探测技术,研究了近红外飞秒强激光脉冲作用下,金膜中的超快电子动力学过程。研究发现,800 nm飞秒激光激发后,金膜的瞬态反射率存在一个下降过程。通过对金膜的瞬态反射率光谱进行分析和模拟,发现主要是自由电子弛豫和带间双光子跃迁这两种电子动力学过程综合作用的结果。利用双温模型,模拟了800 nm飞秒激光作用下金膜的温度弛豫和瞬态反射率变化过程,理论计算结果与实验结果符合良好。

拓扑绝缘体中的超快电荷自旋动力学

拓扑绝缘体是根据动量空间的拓扑不变量来定义的一类区别于普通绝缘体的新兴拓扑非平庸材料,其体态和表面态分别表现为绝缘和金属性质,并且其表面态具有独特的自旋结构(自旋-动量锁定),因此该类材料在光电器件和自旋电子器件领域有很多潜在的应用.由于开展这些应用研究首先需要对这类材料中的电荷与自旋动力学有全面的了解,所以拓扑绝缘体中的非平衡物理性质的研究引起了人们极大兴趣.本文对这一研究领域所作的研究工作做了一个较全面的描述,特别是跟时间分辨超快光谱相关的实验工作.并希望文中的讨论能激发研究者尤其是理论工作者对这一领域进一步的探讨,同时期待目标研究对象也能扩展到其他拓扑材料体系.

Fe_(m)B_(20)(m=1,2)团簇中超快自旋动力学的第一性原理研究

利用量子化学第一性原理计算,对FeB_(20)和Fe_(2)B_(20)团簇的几何构型、电子结构以及由激光诱导的超快自旋动力学进行了研究.计算结果发现,Fe B20团簇中Fe原子倾向吸附于B20管内,而Fe_(2)B_(20)团簇的两个Fe原子分居管内外时更稳定.后者由于磁原子个数的增多,引入了更多的d电子态而表现出结构整体能级的下移;同时,由于该结构两磁原子吸附环境的不同,使得其能态具有不同自旋局域的可能性.基于体系所得多体电子基态和激发态,在特定激光脉冲诱导下,在两个团簇上均实现了亚皮秒时间尺度内的超快自旋翻转和自旋交叉两种动力学过程.其中前者均可逆,且保真度都高达89.7%及以上,后者保真度略低,均在78%及以下.另外,在Fe_(2)B_(20)团簇上,实现了两个Fe原子之间的超快自旋转移动力学,其所需激光能量由于初末态较大的能级差和较多的中间态参与而较之其他动力学最高.本文工作为吸附磁原子的管状硼团簇体系上所实现的超快自旋动力学功能进行了预测,可望对其未来的实验实现以及相关自旋逻辑功能器件的设计和应用提供理论指导.

纳秒激光诱导损伤熔石英玻璃的动力学过程

采用超快时间分辨阴影成像技术研究了纳秒激光诱导损伤熔石英玻璃前后表面和体内的动力学过程,对比分析了前后表面和体内的损伤差异及损伤机制。在前表面,观察了空气和材料中的等离子体和冲击波的产生与发展过程;亚纳秒激光辐照下,前表面材料内观察到三个应力波,并观察到材料体内的损伤过程。在后表面,除观察到冲击波的产生与发展过程,还观察到表面物质的烧蚀去除与喷发过程。在材料内部,损伤由自聚焦和点缺陷吸收两种机制主导,而且点缺陷吸收诱导材料体内损伤有时间先后顺序。

激光诱导铝纳米膜熔化机理的分子动力学模拟

采用耦合一维双温模型的分子动力学方法研究了纳米级的铝膜在飞秒激光辐照下的熔化机制.这种方法不仅能够在原子水平上展现金属膜的各种微观行为,还能有效地描述金属膜的激光能量吸收、传递和金属电子热传导等过程.模拟结果表明,与其它金属相比,铝膜在飞秒激光辐照下的电子温度、晶格温度以及内部压力等呈现出不同的变化.铝膜在较高强度激光辐照下会很快发生全局一致的熔化,这与镍膜上下非均匀的熔化不同.并且由于铝的电子-声子耦合强度较高导致铝膜较镍膜和金膜熔化得更快.模拟结果显示,铝膜的熔化时间与实验测量的超快激光诱导的铝膜熔化时间一致.进而从理论上支持激光诱导的铝膜熔化是一个热力学熔化过程.

PSII核心复合物超快动力学研究

应用时间分辨荧光光谱技术 ,研究了高等植物光系统 II(PSII)核心复合物中能量传递超快动力学。对实验测得的荧光衰减曲线 ,进行数据处理 ,解得荧光衰减的 3个时间常数分别为 3 .9,2 0 .4,93 0 .5 ps,各组分荧光占总荧光的百分比分别为 1 .0 %,1 2 .7%,86 .3 %。对由全局分析得到的荧光强度随波长变化曲线运用高斯多峰解叠运算 ,解得 3个峰值波长分别为 6 71 .0 3 ,6 84.74,6 96 .1 6 nm。通过分析 ,给出了激发能在 PSII核心复合物中超快传递的动力学信息及相应的能级关系图。

“超快激光诱导自组织周期微纳结构”专题导读

激光诱导周期性表面结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)是一种通过激光加工材料表面而形成的微纳米尺度周期性结构的现象。LIPSS的研究背景主要源于对光学加工技术的发展和微纳米加工技术的需求。随着光学加工技术的不断发展,人们越来越需要能够在微纳米尺度下进行高精度加工的方法。LIPSS作为一种自组织的结构形成方式,具有许多优势,例如加工速度快、无需使用光刻等昂贵的设备、适用于多种材料等,因此受到了广泛的关注。

光诱导反铁磁性绝缘体Cr_2O_3超快退磁动力学研究

研究了光激发反铁磁性绝缘体Cr_2O_3超快退磁动力学.通过对反铁磁性Cr_2O_3的光吸收谱进行分析,计算了不同态之间的能量差.通过解耗散薛定谔方程研究了2.5 e V激发电子从高自旋态到低自旋态的超快动力学过程.利用数值模拟的方法计算出反铁磁性绝缘体Cr_2O_3的退磁时间为350飞秒,这个结果与实验结果符合得很好;此外,进一步分析了Cr_2O_3的退磁路径.证明耗散薛定谔方程是研究电子从高自旋态到低自旋态弛豫的一种有效的量子方法.

不同衬底的钴(Co)膜的超快动力学研究

通过磁控溅射镀膜法制备了不同厚度的钴薄膜,利用飞秒激光泵浦探测技术研究了衬底材料分别为单晶硅、K9玻璃以及Tou玻璃的钴薄膜内部的超快动力学变化。实验结果表明,当用80mW的泵浦激光脉冲加热不同厚度、不同衬底的钴膜时,电子的加热时间不变,均为0.1344ps;而电子的热化时间则会发生变化,且与薄膜厚度和衬底材料均有关。在电-声子发生非平衡弛豫阶段,对于不同衬底材料的钴膜,其瞬态反射率曲线的变化趋势也不同。

“超快激光诱导自组织周期微纳结构”专题征稿

征稿范围:包括但不限于以下内容的超快激光加工的研究与应用:激光诱导自组织周期微纳结构的机理;激光诱导自组织周期微纳结构的超快动力学过程;基于LIPSS的大尺寸、高质量纳米光栅加工技术;激光诱导表面自组织周期微纳结构在其他领域的应用;薄膜材料上的激光诱导自组织周期微纳结构;超衍射和两维激光诱导自组织周期微纳结构;激光诱导前向转移技术;透明材料内部的激光诱导自组织微纳加工;用于微纳加工的超快激光光源与调制技术。

“超快激光诱导自组织周期微纳结构”专题征稿

征稿范围:包括但不限于以下内容的超快激光加工的研究与应用:激光诱导自组织周期微纳结构的机理;激光诱导自组织周期微纳结构的超快动力学过程;基于LIPSS的大尺寸、高质量纳米光栅加工技术;激光诱导表面自组织周期微纳结构在其他领域的应用;薄膜材料上的激光诱导自组织周期微纳结构;超衍射和两维激光诱导自组织周期微纳结构;激光诱导前向转移技术;透明材料内部的激光诱导自组织微纳加工;用于微纳加工的超快激光光源与调制技术。

Ag：Bi2O3纳米颗粒复合薄膜的三阶光学非线性和超快电子动力学研究

金属纳米颗粒具有较小的尺寸和大的表面体积比，由于量子限制效应和表面效应，表现出特殊的电子和光学性质．迄今为止，研究者们已对金属颗粒掺杂浓度较低的复合材料的性质做了大量研究，而掺杂浓度较高的材料受到的关注较少．我们采用磁控溅射法制备出含Ag浓度较高(13at．％～59at．％)的Ag：Bi2O3复合薄膜，使用飞秒脉冲激光研究了此类材料的三阶光学非线性和超快电子动力学过程。

GaAs光生载流子动力学机制的超快光谱学分析

利用飞秒激光泵浦探测技术,通过改变光学参数,如中心波长、功率,分别对未故意掺杂高纯n型砷化镓的差分反射谱进行研究,进而分析室温下砷化镓光生载流子动力学过程.首先,当泵浦光功率恒为100mW,探测光功率恒为10mW时,随着中心波长的增大,差分反射率峰值随之增大,信噪比也随之增加.其次,通过拟合不同延迟时间下泵浦光功率和差分反射率的实验曲线,并和理论模型比较后发现,在一定范围内的泵浦功率和差分反射率呈线性相关,未故意掺杂高纯n型砷化镓的饱和载流子浓度为(3.590 1±0.310 3)×1017 cm^(-3).在此基础上,把光生载流子动力学过程分为3个过程:804±67fs的光激发过程、134~268fs的初始散射过程、1ps和3~6ps的复合过程.研究表明,差分反射率与探测功率不存在显著的依赖性,但差分反射谱的信噪比与探测功率存在相关性.