磁性材料在微波及太赫兹波段的动力学研究

摘要

磁性材料在微波及太赫兹波段的动力学的研究和应用已开展多年。由于近年来光子晶体和负折射系数材料的发展，微波传导的低能耗和谐振器件的小型化逐渐受到重视。在这些领域人们进行了多方面有益的探索，如磁性微波光子晶体和开口谐振环的磁响应。另一方面，随着信息技术的飞速发展，人们对磁性介质数据存储速度的要求越来越高，促使科研工作者不断探索新的磁化态操控技术。由激光脉冲激发的超快磁矩翻转现象的发现和研究，使人们意识到这一技术有可能成为下一代更快的磁存储技术的基础，该领域的工作逐渐成为凝聚态物理的研究热点之一。
　　本工作首先运用调节磁场的方法实现了对微波段磁性光子晶体带隙的调制，该系统由铁磁柱体材料组成的二维磁性光子晶体所构成。除了由光子晶体周期结构导致的布拉格散射带隙，我们在实验中还观测到了另外两种光子带隙：分别来自于磁性表面等离子体共振和自旋波共振。其中，磁性表面等离子体可视为金属表面等离子体在铁磁材料表面的类比物理量，其共振所引起的光子带隙具有外场可调的特殊性质。这一发现对于光子晶体波导理论和应用的研究都具有重要意义。
　　在上述磁性光子晶体带隙理论及实验研究的基础上，我们通过特定的实验方法制备了具有单向导波特性的磁性表面等离子体微波波导。当电磁波的频率处于磁性表面等离子体共振频率区域，由二维磁性光子晶体阵列构成的波导具有不对称的电磁波传输特性：即在由两个二维周期阵列（每个阵列外加方向相反的静磁场）所构成的导波通道中，电磁波只沿着一个方向传播，而在其反方向的传播被显著抑制。实验发现，该波导的单向传输特性不受金属障碍物和光子晶体周期性破坏的影响；更重要的是，其单向导波的工作频率可由外加磁场调制。理论研究表明：这一现象源自于磁性表面等离子体能带结构的时间反演对称破缺，类比于二维电子系统中的量子霍尔效应的手性边缘传输现象。
　　开口谐振环作为一种新型的电磁波谐振系统，其共振频率克服了传统散射波长的限制，尺寸可达到共振频率波长的1/10甚至更小。基于对开口谐振环的磁共振响应特性的研究，本工作运用溅射和光刻方法制备了一种新型的不共面开口谐振环。区别于传统的共面开口谐振环，实验发现不共面开口谐振环的共振频率与环-环间距具有线性关系。环-环间距越小，其共振频率越低。当环-环间距达到微米级别，发生磁共振时其几何尺寸可达到波长的1/120。这一实验结果可为天线的小型化研究提供有益参考。
　　本工作通过实验验证了铁磁薄膜的超快退磁效应可辐射出太赫兹波，并且发现了铁磁薄膜受激光脉冲激发后，其辐射出的太赫兹波的强度与薄膜本身的阻尼系数成明显的线性关系。实验采用磁控溅射方法制备铁磁薄膜，并利用自旋注入效应，改变与铁磁薄膜相邻的金属薄膜的厚度，从而获得具有不同阻尼系数的铁磁薄膜样品。使用抽运-探测技术观测到辐射的太赫兹波的强度与阻尼系数存在显著的正比关系：薄膜的阻尼系数越大，太赫兹波的辐射强度越大，表明磁矩的退磁过程更快。这一发现为进一步研究超快激光操控磁化态的动力学过程开辟了新的思路。实验中通过自旋注入效应改变薄膜的阻尼系数，表明了自旋注入理论也可能适用于太赫兹波范围。

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第一章 绪论

1.1前言

1.2研究背景

1.3理论背景

1.4本论文研究内容和结构

第二章实验方法及理论

2.1样品制备手段

2.2结构和性能测试

2.3高频信号测试

第三章 磁性光子晶体的带隙研究

3.1引言

3.2理论背景

3.3二维磁性光子晶体

3.4本章小结

第四章 单向磁性表面等离子体波导

4.1引言

4.2理论背景

4.3单向磁性表面等离子体波导的制备和研究

4.4本章小结

第五章开口谐振环的磁性共振

5.1引言

5.2理论背景

5.3共面开口谐振环

5.4不共面开口谐振环

5.5本章小结

第六章铁磁薄膜的超快磁矩操控

6.1引言

6.2理论背景

6.3超快激光激发铁磁薄膜实验

6.4测试结果和讨论

6.5本章小结

第七章总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士期间取得的学术成果