（理论物理专业论文）双层铁磁系统中交换耦合式自旋动力学研究.pdf

原创性声明 i i i i i i f f liiirjifl i rlrll f l l f ll lfill y 18 8 8 9 8 0 本人声明；所壁交的学位论文是本入在导瓣的指导下进行的研究工作及取德的研究成 果。除本文已经注明弓l 用的内绺外，论文巾不包含其他人已经发表谶攘写过的掰究成聚。也 不包含为获掰凼羹点太堂及其他教育挑构的学位或遥粥褥使用避的材料。与我阉工作的网 忠对本骈究所徽的任何黉献均已程论文巾作了暖确的说锈并表示谢意 学彼论文作者签名_ 乏套型采措簿教黼 l i 期：鼎一是。2 多豳 程学期润弼f 究成聚使爝承谬书 本学俊论文佟翥完全了解学梭有必像镦、傻耀学镪论义的规定，鄹：内蒙古大学霄掇将 学位论文的全都虑容或部分傺留并淘豳家有美概构、部门送交学锨论文魈簸瘁件和磁盘允 许编入有关数据库进行检索，也可以采耀影印、缩毽】绒其德复制乎段保存，襄二编学豫论文为 铢护学院和导师的知识产权，作鬻在学期阃取褥的研究成聚缀予内蒙古大学。俸者今焉傻耀 涉及柱学麓闻主簧研究浅容或研究成聚，须链褥内镶古天学魏读期阂蟹簿的赋恧；蛰耀予发 袭论文，版权单镶必须署名为内蒙古大学方掰投稳或公开发表。 学能沦文作者签名： 期：- 牛掣 搬黟教师 融 博士学位论文： 双层铁磁系统中交换耦合式自旋动力学研究 双层铁磁系统中交换耦合式自旋动力学研究 摘要 目前，铁磁薄膜系统在现代信息技术领域处于非常重要的地位，在磁性数据 存储到传感器或磁随机存储器方面都得到了广泛的应用对于器件而言，材料 的低激发态性质非常重要，当外场感应或进行读取数据，材料内部就会产生激 发而且已经发现现代磁性材料中的自旋翻转速度由材料的本征激发决定所 以，对层状磁性材料中的自旋激发的研究有助于理解系统的磁学性质本文应 用界面重方法，采用非周期性边界条件讨论了两层铁磁薄膜中自旋波及其共振 首先，我们建立了层状体系中的统一微观理论，具体将此理论应用于两层 对称的体系详细研究了这种体系中的本征激发，给出了体系中本征值存在的判 据研究结果发现，当界面是铁磁耦合时，体系的奇数支本征模( 对称模) 与 界面性质无关，而偶数支本征模( 反对称模) 的能量随界面交换作用参数的增 加而增大；当界面反铁磁耦合时，奇数支本征模( 对称模) 的能量随界面耦合 参数的减小而减小，而偶数支本征模( 反对称模) 的性质与界面耦合无关，并 将计算结果与已有的结论进行了对比，结果符合得很好在此基础上，我们进 一步研究了界面交换作用对自旋波共振的影响，结果发现，界面铁磁耦合体系 中只有第一支本征模存在共振，其余所有的本征模都不存在共振；对于界面反 铁磁耦合体系，所有关于界面对称的本征模都存在共振，除第一支本征模外， j 每支模的共振随着界面交换作用参数的减小每支模的共振增强 之后，我们又将理论应用于两层非对称界面铁磁耦合薄膜体系，详尽地讨 内蒙古大学博士学位论文 论了体系的第一布里渊区的能带精细结构结果发现，这种体系的能带结构可 以看成是每一子层独立存在时能带的“交叠，实质上并没有完全交叠，而是 因为两层的体交换作用和自旋的乘积不同以及两层间又存在界面耦合而导致的 结果对于这样的体系可能存在两种能带结构，一种是有带隙( 夕 2 3 ) 在此基础上我们又进一步讨论了 各种本征模在第一布里渊区的演化条件，主要包括光学界面模转化为a 层中的 禁闭模，体模转化为a 层中的禁闭模，体模转化为b 层中的禁闭模和b 层中的 禁闭模转化为带隙中的界面模 我们还进一步讨论了第一布里渊区的自旋波共振的演化，结果发现，在体 模存在区域会存在多重共振峰，但峰值相对较弱，较强的共振尖峰可能出现在 不同性质的本征模转化的临界点 对于两层非对称体系，我们进一步研究了各向异性对本征值的影响结果 发现，易轴型各向异性使得能量相对较高的能带整体上移，而能量较低的能带 不动，这样就使得两带的交叠区域变小，体模和光学界面模存在的区域变小， 而使得禁闭模和带隙中的界面模存在的区域变大，进而给出了在整个布里渊区 存在带隙的条件；对于给定参数的体系，自旋波的演化条件是不变的，自旋波 共振的演化会发生改变对于异面型各向异性，在我们讨论的条件下，异面型 各向异性使得能量相对高的能带整体下移，而能量较低的能带不动，这样就使 得两带的交叠区域变大，体模和光学界面模存在的区域变大，而使得原来禁闭 模和带隙中的界面模存在的区域变小，出现了两种新的禁闭模；在此基础上我 们也给出了在整个布里渊区存在带隙的条件；通过进一步对自旋波共振的研究 发现，由于特殊能带结构的出现，在整个布里渊区会存在双共振尖峰 博士学位论文：双层铁磁系统中交换耦合式自旋动力学研究 最后，我们建立了考虑表面各向异性的自旋波理论，并把理论应用于最简 单的对称体系进行讨论表面各向异性对体系本征值和自旋波共振的影响结果 发现，当表面各向异性参数为正值时，表面各向异性不影响每支本征模的传播 性质，当表面各向异性参数为负值时，能量最低的两支体模转化为声学界面模； 而且表面各向异性参数为正值时，体模波长变短，而表面各向异性参数为负值 时，体模波长变长此外，当界面为铁磁耦合时，第一支本征模的共振会出现 最大共振峰，其它本征模的共振规律完全相同，都出现最小共振峰，出现在没 有各向异性的位置；当界面反铁磁耦合时，第一支本征模共振出现最大共振峰， 其它本征模出现最小共振峰，但出现的位置有两个，即界面反铁磁耦合时，体 模的共振存在两种规律 关键词：铁磁超薄膜；界面交换耦合；自旋波；自旋波共振；各向异性 本文是在国家自然科学基金( 批准号：1 0 7 6 2 0 0 1 ，1 1 0 7 2 1 0 4 ) ，教育部新世纪 人才计划基金( 批准号：2 0 0 5 0 2 7 2 ) ，教育部科学技术研究重大项目( 批准号： 2 0 0 6 0 2 4 ) ，高等学校博士学科点专项科研基金( 批准号：2 0 0 8 0 1 2 6 0 0 0 3 ) ，和内 蒙古自然科学基金( 批准号：2 0 0 7 1 1 0 2 0 1 1 5 ) 的支持下完成的 内蒙古大学博士学位论文 t h es t u d yo ft h es p i nd y n a m i c so f e x c h a n g e c o u p l i n gi naf e r r o m a g n e t i cb i l a y e rf i l m a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ef e r r o m a g n e t i c f i l ms y s t e m sp l a yi m p o r t a n tr o l e si nm o d e m i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yr a n g i n gf r o mm a g n e t i cd a t as t o r a g et os e n s o r so rm a g n e t i c r a n d o ma c c e s sm e m o r y f o raf u n c t i o n i n gd e v i c e ，w h e naf i e l di ss e n s e do rd a t aa r e w r i t t e n ，t h em a g n e t i cs y s t e mi se x c i t e d m o r e o v e r , a ni m p o r t a n tr o l ef o rt h es p e e do f m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a li sp l a y e db yc o n f i n e ds p i nw a v e s t h e r e f o r e ，s t u d y i n gs p i n e x c i t a t i o n si nm a g n e t i cm u l t i l a y e r sw i l li m p r o v eu n d e r s t a n d i n gt h e i rm a g n e t i c p r o p e a i e s u n d e rt h ea p e r i o d i cb o u n d a r yc o n d i t i o n ，e i g e n m o d e sa n d r e s o n a n c eo f s p i nw a v e si naf e r r o m a g n e t i cb i l a y e rs y s t e ma r ee x p l o r e db yu s i n gt h ei n t e r f a c e r e s c a l i n ga p p r o a c hi nt h i sp a p e r f i r s t l y , w eh a v ed e d u c e dt h eu n i f o r mm i c r o - - s p i n w a v et h e o r y o fm a g n e t i c m u l t i l a y e rs y s t e m sa n da p p l i e di t t ot h es y m m e t r i c a lm a g n e t i cb i l a y e rs y s t e m s t h e e i g e n p r o b l e m sa r ee x a m i n e di nt h i ss y s t e ma n dt h e c r i t e r i ao fc o n d i t i o n sf o rt h e o f g e n m o d e s 。 t h e；u l t ss h o wt h a ti ft h ei n t e r f a c epiingexistenceo fe i g e n m o d e sa r eg i v e n1h er e s u l t ss i i o wm a t1 im em t e r m c ec o u p l i n gi s f e r r o m a g n e t i c ，a l lm o d e sn o n - a f f e c t e db yt h ei n t e r f a c ec o u p l i n ga r es y m m e t r i c a l m o d e s ，w h i l ea l lt h o s ea f f e c t e da r ea n t i s y m m e t r i c a lm o d e s f o ra n t i f e r r o m a g n e t i c i n t e r f a c ec o u p l i n g ，t h er e v e r s eh o l d s w ec o m p a r et h er e s u l t sw i t ht h o s eh 博士学位论文：双层铁磁系统中交换耦合式自旋动力学研究 p u s z k a r s k ih a dd i s c u s s e da n df o u n dt h a tt h e ya r ec o n s i s t e n t f u r t h e r m o r e ，w eh a v e d i s c u s s e dt h es p i n - w a v er e s o n a n c e i ti ss h o w nt h a to n l yt h es i n g l e l i n ei n t e n s i t yi s n o n z e r ow h e nk = oa n dt h i si st h ec a s eo fo r d i n a r yf e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c ew h e nt h e s p e c t r u mp r e s e n t sb u to n er e s o n a n c el i n e m u l t i - p e a kb i l a y e rs p i n w a v er e s o n a n c e t h e r e f o r er e q u i r e sa n t i f e r r o m a g n e t i ci n t e r f a c ec o u p l i n g s e c o n d l y , w ea p p l i e d t h i st h e o r yt ot h eu n s y m m e t r i c a lm a g n e t i cb i l a y e rs y s t e m s w et u r nt o a n a l y z en u m e r i c a l l yi n d e t a i lt h ee n e r g y - b a n dc o n f i g u r a t i o no ft h e l o n g i t u d i n a ls p i nw a v e sw i t ht h et r a n s v e r s ew a v ev e c t o rr ，v a r y i n ga l o n g t h e h i g h - s y m m e t r yp a t h so f t w od i m e n s i o n a l ( 2 d ) b r i l l o u i nz o n e t h e r ea r et w ot y p e so f t h ee n e r g y b a n ds t r u c t u r e w h e n 2 3 i nt h er e g i o n s o ft h eb u 墩m o d e s ，t h ep h e n o m e n o no fh y b r i d i z a t i o nb e t w e e ns u b b a n d sc a nb e o b s e r v e dd u et ot h ed i s t i n c t i o no f jt sa a n djb sb 。w h e nt h em a g n i t u d eo f f li n c r e a s e s ， t h eh y b r i d i z a t i o nr e g i o n sb e c o m el a r g e r , a n dv i c ev e r s a w ea l s o d e t a i l e dt h e e v o l u t i v ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n ts p i nw a v e sa n dt h ee v o l u t i o no fs p i n - w a v e r e s o n a n c e i ti ss h o w nt h a tt h es h a r pi n t e n s i t ym a ye x i s t sc r i t i c a lp o i n tw h e r ed i f f e r e n t e i g e n m o d e st r a n s f o r me a c ho t h e r t h i r d l y , w ed i s c u s s e dt h ee f f e c t so ft h eb u l ka n i s o t r o p yf o rt h ee i g e n m o d e si n t h eb i l a y e rs y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g h e rs u b b a n dm o v e su pg l o b a l l yw i t h i n c r e a s i n gd o rd r o p sg l o b a l l yw i t ht h ed e c l i n i n gd 彳h o w e v e r , t h el o w e rs u b b a n d i s f i x e d ；t h eh y b r i d i z e d ( o rs e e mo v e r l a p ) b r a n c h e sr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s i n gd o r t h eh y b r i d i z e d ( o rs e e mo v e r l a p ) b r a n c h e se n h a n c e sw i t ht h ed e c r e a s i n gd 一 v 内蒙古大学博士学位论文 m o r e o v e r , w ed e d u c e dc o n d i t i o n sf o rt h ee x i s t e n c eo fe n e r g y - b a n dg a pi nt h ew h o l e f i r s tb r i l l o u i nz o n e b e c a u s et h e r ea r et h ec o m p l i c a t e de n e r g yb a n df i n es t r u c t u r e ， d o u b l es h a r pi n t e n s i t ym a y b ee x i s t a tl a s t ，t h ee f f e c t so ft h es u r f a c ea n i s o t r o p yf o rt h ee i g e n m o d e si nt h e s y m m e t r i c a lb i l a y e rs y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d i ti ss h o w nt h a tw h e n t h ea n i s o t r o p yi s e a s y a x i st y p et h ee i g e n m o d e sa r ep i n n e d w h i l et h et w oe n e r g e t i c a l l yl o w e s t e i g e n m o d e se v o l v ei n t o s u r f a c em o d e s w h e nt h ea n i s o t r o p yi s e a s y - p l a n et y p e m o r e o v e r , w h e t h e rt h ee x c h a n g ec o u p l i n g o fi n t e r f a c ei s f e r r o m a g n e t i c o r a n t i f e r r o m a g n e t i c ，m u l t i - p e a kb i l a y e rs p i n w a v er e s o n a n c ew i l la p p e a r k e y w o r d s ：f e r r o m a g n e t i cu l t r af i l m s ；e x c h a n g ec o u p l i n gi nt h ei n t e r f a c e ；s p i n w a v e s ；s p i n w a v er e s o n a n c e ；a n i s o t r o p y t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 1 0 7 6 2 0 01a n d110 7 210 4 ) ，t h ep r o g r a mf o rn e wc e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t s i nu n i v e r s i t yo fc h i n a ( g r a n tn o 2 0 0 5 0 2 7 2 ) ，t h ek e yp r o j e c to fc h i n e s em i n i s t r y o fe d u c a t i o n ( g r a n tn o 2 0 0 6 0 2 4 ) ，t h es p e c i a l i z e dr e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a l p r o g r a mh i g h e re d u c a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 2 0 0 8 0 12 6 0 0 0 3 ) a n di n n e rm o n g o l i a n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( g r a n tn o 2 0 0 7110 2 0115 ) 博士学位论文： 双层铁磁系统中交换耦合式自旋动力学研究 摘要 目录 a b s t r a c t 。 第一章绪论 i l 1 1 研究背景和意义l 1 2 国内外研究进展和现状3 1 2 1自旋波的研究进展和现状3 1 2 2 自旋波共振的研究进展和现状。5 1 3 论文研究内容及安排6 第二章层状体系的自旋波理论 第三章双层薄膜中的自旋波及其共振 7 9 3 1 对称膜中的自旋波本征值及自旋波共振1 1 3 1 1自旋波本征值的存在条件1 1 3 1 2 自旋波本征值及界面交换作用对其的影响1 2 3 1 3 横向自旋波影响下的自旋波的能带结构1 3 3 1 a同质系统中的本征模波形1 8 3 1 5 。 自旋波的共振及界面交换作用对共振的影响。2 3 3 2 非对称膜中的自旋波本征值及自旋波共振。2 6 3 2 1自旋波本征激发形式2 6 3 2 2 横向自旋波影响下的自旋波的能带结构2 8 3 2 3 横向自旋波影响下的自旋波演化3 2 3 2 4 自旋波的波形及其共振3 5 3 3 本章小结3 9 第四章体单轴各向异性的影响 4 1 4 1 易轴型各向异性的影响4 3 一 内蒙古大学博士学位论文 4 1 1 易轴型各向异性影响下的能带结构4 3 4 1 2 自旋波的本征激发形式及其演化4 6 4 1 3 自旋波共振4 7 4 2 异面型各向异性的影响4 9 4 2 1 易面型各向异性影响下的能带结构5 0 4 2 2自旋波的本征激发形式及其演化5 5 4 2 3 自旋波共振5 7 4 3 本章小结5 8 第五章表面各向异性的影响 5 1 表面各向异性对本征值的影响6 1 5 2 表面各向异性对共振的影响6 4 5 3 本章小结6 7 第六章总结与展望 参考文献 致谢 博士期间发表和完成的论文目录 6 8 7 1 7 9 8 1 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 目前，纳米材料正对人们的生活和社会的发展产生重要的影响，磁性纳米材料依然是凝 聚态物理和材料科学领域中的研究热点纳米材料是指三维空间中至少有一维的尺度在1 - 1 0 0 纳米范围的材料，他们应表现出以下共同的基本特征之一。量子尺寸效应，小尺寸效应，表面 效应等 1 、量子尺寸效应 材料的能级间距是和原子数n 成反比的，因此，当颗粒尺度小到一定的程度，颗粒内含 有的原子数n 有限，纳米金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，纳米半导体微粒 则存在不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道，能隙变宽当这能隙间 距大于材料物性的热能，磁能，静电能，光子能等等时，就导致纳米粒子特性与宏观材料物 性有显著的不同 2 、小尺寸效应 当粒子尺度小到可以与光波波长，磁交换长度，磁畴壁宽度，传导电子德布罗意波长， 超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时，原有晶体周期性边界条件被破坏，物性也就 表现出新的效应，如从磁有序变为磁无序，磁矫顽力发生变化，金属熔点下降等 3 、表面效应 当粒子尺寸变小时，位于表面的原子数相对于内部的原子数所占比例变大，例如对铜而 言，1 0 0 纳米的粒子，比表面积为6 6 m 2 g ，而1 0 纳米粒子的比表面积就为6 6 m 2 g ，当粒子小 到1 纳米时，比表面积就高达6 6 0 m e g 表面能很大，极大提高了粒子的活性，造成表面原 子输运和构型的变化，也引起原子自旋构象的变化极端情况是碳纳米管，只有表面原子， 没有内部原子 纳米材料无论在纳米材料共有的基本特性方面，还是在磁性材料特有的若干方面，都有 与块状材料不同的特性正是利用这些特性，我们可以制造出许多块状材料性能达不到的新 材料 内蒙古大学博士学位论文 纳米磁性材料包括多种，其中薄膜纳米材料是此领域中研究最多的内容之一在磁性薄 膜中发现巨磁电阻 1 ，2 现象以来，多层纳米磁性薄膜材料就成为磁性材料领域的研究热点之 一磁性多层膜的磁层间可以通过非磁性金属层而交换耦合自旋极化分析扫描电镜( s e m p a ) 表明，交换耦合随非磁层厚度的变化作铁磁和反铁磁的震荡变化【3 ，4 】人们对同质和异质型 多层膜结构进行了大量的研究g r f i n b e r g 5 】利用光散射实验发现f e c r f e 多层膜间的交换 作用，p a r k i n 【6 】又发现n i c o r u n i c o 多层膜间的交换作用，并通过对f e t m f e 和c o t m c o 许多多层膜结构 7 9 】的研究，p a r k i n 1 0 发现过渡金属多层膜具有共同性贡一层间交换耦 合的振荡现象后来r u d e r m a n - k i t t e l - k a s u y a - y o s i d a 【1 1 1 3 】证明层间交换耦合作用的振荡 现象是由非磁空间的传导电子调制磁层中局域自旋的间接交换作用的结果大量研究表明巨 磁电阻效应和自旋转运现象主要由超晶格薄膜的磁、电以及几何特性决定另外，磁各向异 性和层间交换作用在巨磁电阻传感器应用方面尤为重要【1 4 所以，巨磁电阻效应【l ，2 】的 发现和对界面交换振荡现象的研究，推动了另一门学科磁电子学的诞生它与传统的半 导体电子学不同，是通过磁场等因素操纵电子的白旋相对取向，基于电子输运特性与磁序间 的关联效应，调制其传导行为，并制成具有相应传感、读写和存储功能器件的一门新兴学科 巨磁电阻 1 】和隧道磁阻效应 1 5 ，1 6 】的一个重要应用是在数据存取存储方面与传统的 存储器比较，我们列如下一个技术参数表格( 如表1 1 ) 进行说明： 表1 1 四种存储器的技术参数比较 t a b 1 1c o m p a r i s o no ft e c h n i c a lp a r a m e t e r so ff o u rt y p e so fc o m p u t e rm e m e r y 第一章绪论 通过上面表格中技术参数的比较可以看出，磁随机存储器具有的优点是速度快、保持时间长、 可无限擦写、耗能低等优点其记忆机理是通过外场正向磁化时其状态为“1 一，反向磁化时 为“0 ，两种状态在无外磁场时可以保持由于记忆材料被正向和反向磁化的影响，与之毗 邻的磁隧道结的电阻存在明显差异，从而流经隧道结的电流发生强弱变化，传感器对电流强 弱的判断便可分析出存储的信息因此磁随机存储器是利用铁磁材料的特征磁滞回线特性存 储信息，利用隧道结的磁阻变化读取信息的对于多层磁性材料的进一步研究表明【1 7 ，1 8 ， 磁记录层的自旋反转速度取决于材料的本征频率，因此对磁记录层的本征激发的研究是非常 重要的 磁性纳米薄膜在先进的纳米技术领域的另一用途是信息传输和处理此应用基本思想是 通过能传播自旋波的薄膜和磁纳米线的自旋波列车来转运数据和能量 1 9 2 1 ，研究还进一步 显示可以利用自旋波制作逻辑装置由于自旋波在室温下可以传播毫米量级的距离，实验室 已经利用自旋波干涉制成室温下的自旋波逻辑器件 2 0 1 纳米磁性材料特别是薄膜材料在技术上的广泛应用促使磁性理论的快速发展，但由于磁 性系统中的各种弛豫现象、温度和外场等外界条件因素的影响导致磁性材料的物理机制比较 复杂，但材料应用的响应性能与其本激发能有关，所以，对磁性材料本征激发的研究就显得 尤为重要此外，在磁性微纳米尺寸的元件中，存储信息的时标要求越来越快的磁化翻转速 度，而决定磁化翻转速度的重要因素就是禁闭结构中的自旋波的空间分布，振幅及温度 综上所述，深入理解有限铁磁体系中的量子自旋激发对探究纳米磁性质和设计高密度存 储器及快速记录器都非常关键，主要包括交换作用和偶极作用、自旋边界条件、各种相位的 自旋波振幅以及演化等动力学问题 1 2 国内外研究进展和现状 1 2 1自旋波的研究进展和现状 自旋波理论首先由b l o c h 提出的【2 2 ，此理论解决了铁磁体系在低温下和居里点附近的磁 化行为紧接着霍尔斯妇_ ( h o l s t e i n ) 和普利马可夫( p r i m a k o f f ) 发展了量子自旋波理论【2 3 当 温度升高时，随着自旋波数目的增加，自旋波间的相互散射加剧，基于此，戴森( d y s o n ) 等 【2 4 2 6 计入自旋波间散射的影响，使得理论更加趋于完善在此基础上，1 9 5 2 年，a n d e r s o n 2 7 】 内蒙古大学博士学位论文 和k u b o 【2 8 y 发展了反铁磁自旋波理论 几十年来，人们一直对磁性材料中的自旋波进行着不间断的研究在低维领域，由于热 涨落和长程有序被打破，原有的自旋波理论不能揭示物质的所有性质，但依然可以解释动力 学性质 2 9 3 3 随后，考虑低维效应和量子效应，由贝特拟设方程发展了一维海森伯模型， s c h l o t t m a n n 利用此方法获得一维体系的比热和磁化率 3 4 】这样，使得长期争论的许多问题 得以解决 3 5 3 8 】，同时，也使得自旋波理论迈向了新的里程随后，t a k a h a s h i 3 9 ，4 0 和 h i r s c h 4 1 ，4 2 将此理论应用于二维方点阵情况和反铁磁情况 4 3 ，4 4 ，从而也将自旋波理论得以 进一步发展后来，y a m a m o t o 将自旋波理论又进一步应用于一维混合磁性体亚铁磁体系 【4 5 随着材料制备技术的发展，介观磁性 4 6 3 成为材料科学领域的研究热点之一实验发现 4 7 】 从分子尺度到体材料过渡进程中存在维度跨接效应紧接着，又在金属一离子磁性团簇中发现 磁量子隧道效应 4 8 】，由于磁性团簇内的耦合方式比较复杂，主要的测量手段是非磁共振 4 9 5 3 1 之后，经过大量的研究 5 4 5 9 ，建立了磁性团簇结构的微观自旋波理论对于反铁 磁体系，经过对海森伯模型的修正，建立了新的自旋波模型 6 0 】 综上所述，二十世纪八十年代末，自旋波理论迈入了新纪元自旋波理论解决一维和零 维磁性问题已成为可能，而且可以应用于梯度 6 1 】、受抑 6 2 和任意键型 6 3 】的磁性体系修 正的自旋波理论 4 0 4 2 在铁磁和亚铁磁体系中已硕果累累【3 9 ，5 4 ，6 4 6 5 ，在反铁磁一维体系 中就显得有些逊色，但依然可以解决基态性质和磁化率问题虽然对能隙和比热问题显得有 些不足，但对于梯度反铁磁体系的性质，利用沿类蛇形j o r d a n - w i g n e r 无自旋费米子可以给予 很好的解释 6 6 ，进一步研究显示自旋体系是无自旋费米子产生的按照现有的自旋波理论， 在低维磁性体系玻色子和费米子是互补的这些现存的争议将使自旋波理论将会进一步得以 完善【6 7 】，在本世纪，自旋波理论将会取得更加丰硕的成果 目前，自旋器件已进入商业生产一方面，自旋器件 6 8 的进一步研究和技术发展要 求深入理解纳米磁性体系的自旋动力学性质，而自旋动力学性质往往受边界条件的影响而发 生改变【6 9 要弄清铁磁体系的自旋动力学性质，首先得清楚自旋激发( 即自旋波) 的性质， 包括各向异性、交换作用和偶极作用等另一方面，技术的发展要求材料的尺寸不断减小， 当材料小到微纳米尺度时，材料的量子和表面效应比较明显，在过去的十几年里，许多禁闭 结构中发现了自旋波的量子效应【7 0 ，7 1 ，从而，纳米体系的磁性动力学问题便成为热点 研究铁磁材料中原子尺度和飞秒时标范围内的本征激发是一个具有挑战性的课题，特别 研究低维尺度中的自旋波波矢与减小的维度效应、杂化效应以及胁变效应的关系就应该深入 第一章绪论 理解材料的内禀性质，包括微观的交换作用，磁序排列，以及其它自旋动力学性质此外， 自旋波频率与快速磁化反转、畴壁运动等关系密切这些特性对研制小型快速自旋流器件【7 2 】 特别重要研究进一步显示电子和高能自旋波的相互作用可能是高温超导的耦合机制之一 【7 3 ，7 4 实验上，体自旋波可以应用非弹性中子散射研究【7 5 ，7 6 ，由于此方法缺乏表面敏感性， 所以不能用来研究超薄膜的磁性探测薄膜的磁性可以应用布里渊散射 7 7 8 0 和铁磁共振 【8 1 ，8 2 】来研究，但这些技术对布里渊区中心处的驻波是有局限性的，近来，可以利用非弹 性扫描隧道分光术测量驻波【8 3 8 7 ，但此技术不能测量面内自旋波的影响，目前，只能用自 旋极化电子能量缺失分光术进行测量整个布里渊区的情况【8 8 9 1 ，此项技术不仅能测量单原 子层和两原子层的色散关系【9 2 ，9 3 ，还可以和第一原理或其它理论相结合优化微观纳米磁性 模型 9 4 9 8 随着实验技术的发展，量子自旋波的理论研究也在进一步发展人们主要利用转移矩阵 方法 9 9 】、格林函数和响应函数理论 1 0 0 、蒙特卡罗方法 1 0 1 、l a n d a u - l i f s h i t z g i l b e r t 1 0 2 ，1 0 3 】 方程对自旋动力学、磁性薄膜材料的结构、自旋波谱及色散关系作了讨论由于多层磁性薄 膜系统是由多个均匀子系统通过界面相互作用耦合在一起的复合系统，利用上述方法严格求 解其低能本征值问题存在一定困难p u s z k a r s k i 1 0 4 等人提出界面重参数方法可精确求解此类 问题，此方法通过引入重参数将耦合方程组分解为在各层内独立的方程组进行精确求解，并 针对不同的晶格结构和不同晶向给出铁磁双层对称薄膜中的自旋波能带、界面自旋波的存在 条件、表面各向异性对自旋波及自旋波共振的影响 1 0 5 1 0 8 2 0 0 6 年，s t a m p s 1 0 9 等研究了 两层异质薄膜中的自旋波带结构，提及各向异性的影响，但没有深入研究 云国宏等人将界面重参数方法运用于自旋波的量子理论，研究了双层铁磁性薄膜中的低 能自旋波激发，接着又将此方法得以改进，考虑周期性边界条件研究了双层铁磁薄膜中的自 旋波及色散关系 1 1 0 ，1 1 1 、界面性质 1 1 2 ，1 1 3 ，最近又发现调制现象 1 1 4 但没有对表面和 体内各向异性因素的影响作详尽的研究，加之考虑周期便条件，因满足奇偶宇称，每支模均 不存在共振现象 1 2 2自旋波共振的研究进展和现状 1 9 5 8 年，基特尔就预言只要满足一定的钉扎条件，就能观测到磁性薄膜中的自旋波激 发同年，西威( s e a v e y ) 和坦尼瓦尔德( t a n n e n w a l d ) 1 1 5 首先在坡莫合金薄膜上观察到了多重 内蒙古大学博士学位论文 自旋波共振峰目前，自旋波共振无论在实验上还是理论上都已成为研究磁性多层膜中磁性 的有效手段 11 6 1 1 9 】随着磁多层膜在m r a m 和其它量子器件中的广泛应用，又因磁化反转 过程中自旋波是主要的耗散渠道，多层膜中实验中测到的自旋波共振峰特别复杂 1 2 0 1 9 9 4 年，p u s z k a r s k i 针对刖a 两层对称结构研究了自旋波共振 1 2 1 ，2 0 0 2 年，该小组又利用朗道 一栗弗希茨方程，计算了i r o n n i c k d i r o n 和p e r m a l l o y n i c k e l p e r m a l l o y 三层对称结构中的自旋 波共振谱 1 2 2 2 0 0 8 年，m a r i n av r o u b e l 1 2 3 等利用格林函数方法研究了薄磁带中的自旋波 共振，给出了自旋波的高频特性目前，自旋波共振的研究主要停留在半经典理论( 铁磁共 振) 的基础上 基于上述原因，我们针对晶格结构为简立方结构，利用界面重参数化方法进行深入的讨 论非常实用的两层同质和异质铁磁耦合系统中的量子自旋波及自旋波共振，在此基础上，进 一步深入讨论表面各向异性和界面效应及体单轴各向异性( 异轴型和异面型) 对自旋波本征 值、能带结构、波形及自旋波共振的影响 1 3 论文研究内容及安排 本文利用二次量子化改进了界面重参数方法，从微观角度建立了层状磁性材料中自旋波 的统一理论，应用此方法可以从微观角度精确求解层状体系中的本征激发及与其相关的问 题我们又针对简立方结构组成的体系建立了层状体系的统一本征方程考虑非周期性边界 条件具体对两层简立方结构体系中的自旋波及其共振进行深入研究，具体内容安排如下： 第一部分绪论，简要介绍磁性薄膜材料的应用和自旋波及其共振理论的研究进展，指 出研究层状磁性材料中本征激发的意义 第二部分由论文第二章构成，结合界面重参数利用二次量子化建立了层状磁性材料中 本征激发的量子力学理论 第三部分由论文的第三章构成，将上面的理论具体应用于两层体系具体讨论了体系的 本征值性质和能带结构，进一步讨论了本征值的演化条件和共振的演化特点 第四部分由论文的第四章构成，针对易轴型和异面型两种各向异性，具体给出了各向 异性对本征值的影响，选取具有特点的参数具体给出了理论上可能存在的各种能带结构，进 一步研究了在各向异性的影响下各种本征模的转化条件和自旋波共振的演化特点 第五部分由论文的第五章构成，考虑表面各向异性的影响，具体给出了两层薄膜中的 理论形式，并针对对称薄膜具体讨论了表面各向异性对本征激发和共振的影响 第六部分由论文的第六章构成，对全文的内容进行了总结，并给出了与本文相关的还 有待解决的问题 第二章层状体系的自旋波理论 第二章层状体系的自旋波理论 我们将层状铁磁介质通过界面铁磁耦合构成的复合体系置于沿z 向的磁场中为了简单， 假设平行于界面的平面内具有平移不变性，忽略界面、表面和体各向异性的情况下，考虑最 近邻交换作用，所以哈密顿量为 i 当i - - - m 去，( 刀，i ；m ，_ ，芦( 玎，f ) ( 朋，j ) 一a o 岁- g ( 刀) 詹( 玎，f ) 日，mj ，j ”，j = 一昙，( 刀，f ；朋，_ ，) 雪z ( 刀，f ) z ( 聊，j f ) + 昙 雪+ ( 矗，f ) 一( 朋，_ ，) ( 2 1 ) + 雪一( 疗，筘+ ( m ，j ) 】) 一g ( 刀) 栅2 ( 刀，f ) 一j 其中第一项为交换作用能，第二项