GdFeCo材料全光磁反转的微观三温度模型研究

摘要

磁存储技术是现代基础科学领域中重点研究的学科之一，这便使得磁性材料有了重要的应用价值。外加磁场、热辅助技术以及全光磁反转技术都是目前较为常用的磁数据存储方法。对比外加磁场与热辅助技术的方法，全光磁反转技术可以在100皮秒内实现磁材料的反转，在存储速度上具有明显的优势，因此得到了科学家们广泛的关注。原子自旋模型模型与LLB模型仅利用阻尼参数来唯象地描述角动量的转移过程，因此无法给出磁反转过程中角动量转移的量子化信息。由于角动量的量子化转移过程是解释全光磁响应微观机制的重要依据，因此如何获取角动量转移的量子化信息是正确理解光磁材料全光磁响应的关键。2009年，B.Koopmans等人基于Elliott-Yafet自旋散射理论，建立了能够明确表明电子、晶格以及自旋间量子化角动量转移过程的微观三温度模型(Microscopic three-temperature model, M3TM)。与引入有效热场的原子自旋模型和LLB模型相对应，若将有效热场引入M3TM，便可利用M3TM对GdFeCo材料的全光磁响应进行计算与模拟，且能够得到此过程中电子、晶格以及自旋间角动量转移的量子化信息。　　本文首先为验证M3TM的正确性模拟重复了Co/Pt材料因反法拉第效应所引起的全光磁反转过程，分别模拟了不同偏振对反转的影响，右旋偏振光与线偏振光不能使材料发生反转，左旋偏振光可以使材料发生反转；脉冲能量密度与脉宽对反转的影响以及Co/Pt材料二维强度平面图。通过验证发现M3TM可正确无误反应出材料因反法拉第引起的全光磁反转过程。为进一步推进M3TM的创新性本文接下来通过将有效热场引入M3TM，理论模拟并实验验证了GdFeCo材料因热效应所引起的全光磁反转过程。具体研究了GdFeCo材料在超短激光单脉冲激发下磁化场的超快全光磁动力学过程，以及GdFeCo材料全光磁响应的末状态随激光脉冲能量和脉宽的变化关系。通过理论模拟结合相应实验验证，我们发现随着激光能量密度的增加，磁化强度逐渐由不反转到反转最终会出现退磁的现象；激光的脉宽同样会对磁化强度造成影响，随着脉宽的增大，磁材料的反转窗口会逐渐增大；此外通过实验上的延迟装置我们观测到磁材料反转过程中不同时刻发生的变化过程，材料首先会出现不平衡状态随着时间的推移不平衡区域逐渐减小后出现反转状态。通过将有效热场引入M3TM中可以更简洁地给出在单脉冲激发下GdFeCo材料磁化场随时间的变化关系以及角动量转移的量子化关系，并为基于热效应的全光磁反转的快速、大面积计算提供了有效手段。

目录

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第一章 引 言

1.1 磁记录的方法

1.2 高密度磁存储容量的需求

1.3 本论文的研究内容

第二章 理论背景的介绍

2.1 全光磁反转的物理机制介绍

2.2 原子自旋模型的介绍

2.3 LLB模型的介绍

2.4 微观三温度模型

2.5 本章小结

第三章 微观三温度模型的应用

3.1 M3TM基于散射模型表达角动量转移的量子化关系

3.2 对微观三温度模型的验证

3.3 引入有效热场的微观三温度模型

3.4 本章小结

第四章 GdFeCo材料全光磁响应的结果与分析

4.1 脉冲能量密度对GdFeCo材料磁化强度的影响

4.2 脉冲能量密度与脉宽对GdFeCo材料末状态的影响

4.3 GdFeCo材料全光磁反转动力学过程

4.4 对GdFeCo材料全光磁响应末状态的观测

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录

致谢