[發明專利]一種基于光自旋霍爾效應的磁性測量方法

有效

• 申請號: 201910751927.1
• 申請日: 2019-08-15
• 公開（公告）號: CN110412490B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 李彤;張志友;余天;王琦
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01R33/10
• 分類號: G01R33/10;G01R33/032;G01R33/07
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 郭萍

本發明公開了一種基于光自旋霍爾效應的磁性測量方法，從偏振態制備器出來偏振光經待測樣品表面反射時發生光自旋霍爾效應，左、右旋圓偏振分量沿垂直于入射面的方向產生相反的移動，該位移對界面樣品磁性參數和外加磁場異常敏感。向待測磁性樣品施加外磁場時，隨著外加磁場強度的變化，光斑質心將發生微小位移的變化，通過量子弱測量技術精確測量這一位移信號，實現對材料磁化性能的高精度和高靈敏的測量。

技術領域

本發明屬于磁性測量技術領域，涉及一種基于光自旋霍爾效應的磁性測量系統及測量方法。

背景技術

磁性是材料很重要的一種屬性，很多材料因為具有磁性而被廣泛應用于人們的日常生活中。不同的磁性材料擁有不同的矯頑力、飽和磁化率等磁學屬性。根據這些性質的不同，磁性材料可以被分類并應用于許多不同的領域，比如永磁性材料的矯頑力高，磁滯回線面積大，可應用于電視機、電表、錄音機等各種電器上，再比如硅鋼片的磁滯回線窄而長，能量損失小，因此在發電機、發動機上有著廣泛的應用。因此，對材料的磁學特性進行探究至關重要。

目前應用最為成熟和廣泛的磁性測量儀器包括振動樣品磁強計(VSM),交變梯度磁強計(AGM)以及磁光克爾效應磁強計(MOKE,Magneto-optical Kerr Effect)。VSM基于電磁感應原理，將樣品放置于探測線圈中心，以固定的頻率和振幅做微振動，待測樣品會產生一個磁矩信號，通過測量此磁矩信號與外加磁場強度的關系可以得到樣品的磁滯回線；由于具有較高的靈敏度且可以測得低溫磁性，VSM成為了一種被廣泛使用的磁性測量手段。AGM實際上是磁秤法的一種，與其他磁秤法儀器一樣，是通過測量磁性樣品在非均勻磁場中所受的力來確定其磁矩；AGM具有很高的室溫靈敏度，與磁強計差不多，測量速度快，測量數據點多，非常適合在室溫測量薄膜、納米等微量樣品或弱磁性材料。但是，隨著樣品制備工藝的發展，以及對磁性材料存儲密度要求的提高，薄膜樣品越來越薄，常規厚度都在納米級，這就意味著樣品所包含的磁矩也很小，由于傳統的測量方法中的VSM和AGM均是以測量樣品磁矩為原理，在面對很薄的樣品時，難以提取出有效信號，從而使精度大大降低。MOKE是近年來廣泛應用的一種測量技術，其具有非常高的靈敏度，即使對于只有納米量級厚度的薄膜，激光光斑大小區域所產生的磁信號的改變都可以被檢測出來。

從理論上來講，磁光系數Q是與磁光克爾效應直接相關的。可以通過測量磁光系數來研究磁性材料的物理特性。通過光譜儀或者原位測量技術，可以求得磁光系數Q的值，但是它的大小通常比材料的介電張量小兩個數量級，因而對磁光系數Q的精密測量非常困難。

由此可見，現有的磁性測量技術均存在弊端，對于測量精度高的方法，往往測試操作復雜、且價格昂貴。因此，有必要尋找一種操作簡單、成本低、又可以達到高測量精度的磁性測量技術。

發明內容

本發明的目的旨在首先提供一種基于光自旋霍爾效應的磁性測量方法，能夠更加簡單、快捷的實現對材料的表面磁性以及材料磁晶各向異性的測量，并且能夠進一步提高測量的精確度與準確性。

本發明的發明思路為：通過引入一種可對信號進行放大的弱測量技術，從而提高材料磁性測量的精度和靈敏度。如何利用弱測量來提高材料磁性的測量精度，需要引用到光子自旋霍爾效應的相關理論來解決這個問題。從微觀角度分析，光子自旋霍爾效應源于自旋軌道的耦合作用，描述了當一束光在材料表面發生折射和反射時在垂直于折射率梯度方向分裂為兩個自旋方向相反的光斑。而自旋分裂的初始位移很小通常無法用儀器去直接測量，本發明利用弱測量可將微小的初始位移放大接近10000倍，從而實現對自旋分裂位移的測量。經研究表明，自旋分裂的大小與磁化強度密切相關，因此可通過自旋霍爾相應的方法獲得磁性材料的磁滯回線、磁晶各向異性等磁學特性。