（光学工程专业论文）tbgdfeco磁光薄膜中的飞秒激光感应超快磁化动力学研究.pdf

摘要 论文题目：( t b ，g d ) f e c o 磁光薄膜中的飞秒激光感应超快磁化动力学研究 作者：高瑞鑫 指导教师：赖天树教授 专业：光学工程 摘要 随着信息和网络时代的到来，各类信息迅猛增加，人们对数据存储密度和速 度的要求越来越高，发展超高密度、高速记录技术成为信息技术领域的新课题。 高密度记录需要使用高矫顽力的记录介质以克服超顺磁效应，但目的的磁头技术 仍难以达到饱和磁化高矫顽力介质的水平。因此，光辅助磁记录技术被发展，它 利用聚焦激光束加热介质到接近居罩温度或跨越补偿温度进行磁记录，解决了室 温下高矫顽力介质的磁化写入问题，同时获得高容量、高热稳定性的记录性能。 光辅助磁记录技术的记录速度决定于介质的激光感应超快退磁和磁化翻转速率， 因此，研究光一磁相互作用的超快动力学过程，是发展高速光辅助磁记录的自订提。 本文以优异的磁光记录材料t b f e c o 和g d f e c o 为对象，研究飞秒激光激发样品 时的超快退磁及翻转动力学，测量光磁响应的特征时间，分析样品的激光感应 规律，以一步探索光辅助磁记录过程中蕴含的物理机制。 本文采用飞秒时间分辨磁光克尔光谱技术，首先研究了t b f e c o 磁光薄膜中 的飞秒激光感应超快退磁动力学。实验发现t b f e c o 样品中的激光感应磁化响应 表现为亚皮秒的超快退磁化和几百皮秒的慢磁化恢复两个过程，可基于“三温度 模型进行解释。在对乃凡国单层膜样品进行抽运光激发功率依赖研究中发现， 在低于样品损伤阀值的激发功率下退磁率随激发强度的增高而增大，相应的磁化 恢复时间也增长；在同系列的成份相同衬底厚度不同的乃凡c 0 样品对比实验中 发现，同功率激发下衬底较薄的样品易获得更高的退磁化率，磁化恢复速率更快。 实验结果证实了亚皮秒退磁化时间常数的内禀性，反映出磁化恢复过程主要由自 旋晶格弛豫控制。 申山大学硕士学位论文 本文重点研究了g d f e c o 磁光薄膜中激光感应跨越铁磁补偿温度时的超快 磁化翻转动力学。在以a l 为热传导衬底材料g d f e c o 薄膜样品中，观察到包含 了超快自旋翻转、磁化反转运动、反向磁化恢复三个子阶段的光激发磁化响应近 完整过程。在激光感应超快磁化动力学的抽运光激发功率依赖实验中发现，随着 激发功率的增大，磁化翻转速率增大，磁化朝初始念的恢复时问增长，这与抽运 光强度对应的感生热电子数目及其能量传递效果有关。在饱和磁场与剩磁场下样 品的激光感应磁化动力学时间分辨曲线对比中，发现其亚皮秒的光激发自旋响应 行为完全一致，表明这一时间尺度内的超快光磁作用应是源于材料内部性质的 一种本征行为。 此外，在抽运一探测光路负延迟处测量到了g d f e c o 磁光薄膜完全不同于常 规磁滞回线形貌的反常克尔磁滞问线，可根据稀土( r e ) 元素g d 与过渡族金属 ( t m ) 元素凡国两个子系统i 日j 的反平行耦合随温度的变化关系进行解释。而在反 常克尔回线上，外磁场高于和低于矫顽力段的饱和磁化强度并不相同，这种磁化 强度差异i w 接反映出g d 与f e c o 之i u j 的非刚性耦合特征，此结果对于深入认识 g d f e c o 磁光薄膜中的r e t m 反平行铁磁耦合及其跨越铁磁补偿温度时的磁化 翻转机理具有重要意义。 关键词：飞秒激光，超快退磁，磁化翻转，t b f e c o ，g d f e c o a b s t r a c t t i t l e：u l t r a f a s tm a g n e t i z a t i o nd y n a m i c si n d u c e db yf sl a s e ri n i t b ，g d ) f e c om a g n e t o - o p t i c a lr e c o r d i n gf i l m s a u t h o r ：r u i x i ng a o a d v i s o r ：啊t i a n s h ul a i m a j o r ：o p t i c a le n g i n e e r i n g a b s t r a c t h i 曲一d e n s i t ya n df a s t - r a t er e c o r d i n gi sb e c o m i n gah o ti s s u eb e c a u s eo ft h e r a p i d l yi n c r e a s i n go fi n f o r m a t i o nv o l u m e h i ：g hd e n s i t yr e c o r d i n gn e e d sh i g h c o e r c i v i t ym e d i at oo v e r c o m es u p e r p a r a m a g n e t i s m ，b u tt h ec u r r e n tr e c o r d i n gh e a dc a n n o tp r o v i d em a g n e t i cf i l e ds t r o n ge n o u g ht os a t u r a t et h e mi nm a g n e t i z a t i o n t o r e s o l v et h i sp r o b l e m ，l a s e ra s s i s t e dm a g n e t i cr e c o r d i n g ( l a m r ) i sd e v e l o p e d ，w h e r e t h ef o c u s e dl a s e ri su s e dt oh e a tt h em a t e r i a lt oi t sc u r i et e m p e r a t u r eo r c o m p e n s a t i o nt e m p e r a t u r et oa s s i s tt h ew r i t i n gp r o c e s s ，a n dc a na c h i e v eh i g h d e n s i t y a n dh i g h - h e a t s t a b i l i t yr e c o r d i n g s t h el i m i ts p e e do fl a mri se s s e n t i a l l yd e p e n d i n g o nt h et i m ef o rl a s e ri n d u c e du l t r a f a s td e m a g n e t i z a t i o na n dm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a l s o s t u d y i n gt h eu l t r a f a s td y n a m i c so fp h o t o ni n t e r a c t i o np r o c e s sw i t hm a g n e t i z a t i o ni sa p r e r e q u i s i t et od e v e l o pe x c e l l e n tl a m rt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h el a s e r - i n d u c e d u l t r a f a s td e m a g n e t i z a t i o na n dm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a ld y n a m i c si ss t u d i e df o rt b f e c o a n dg d f e c om a g n e t o o p t i c a lf i l m st om e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i ct i m e o ft h e i n t e r a c t i o n ，a n da n a l y s et h ep r o p e r t yo ft h em e d i a ，a n dh e l pu n d e r s t a n dt h ep h y s i c a l m e c h a n i s md u r i n gt h el a s e ra s s i s t e dr e c o r d i n gp r o c e s s u s i n gt i m e - r e s o l v e dm a g n e t o o p t i c a lk e r rs p e c t r o s c o p y ( m o k e ) ，w ei n v e s t i g a t e t h eu l t r a f a s td e m a g n e t i z a t i o nd y n a m i c si n d u c e db yf sl a s e ri nt bf e c of i l m sf i r s t l y i t i sf o u n dt h a tt h ef sl a s e ri n d u c e du l t r a f a s tm a g n e t i z a t i o np r o c e s sc o n t a i n sas u b - p s d e m a g n e t i z a t i o nr e s p o n s ea n dh u n d r e d so fp sm a g n e t i z a t i o nr e c o v e r y , w h i c hc a l lb e i n t e r p r e t e db a s e do nt h e t h r e e t e m p e r a t u r e m o d e l ”t h ep u m p f l u e n c ed e p e n d e n c e e x p e r i m e n t s i ns i n g l e l a y e rt b f e c os h o wt h a tb e l o wt h ed a m a g ep o w e rt h e 中山大学硕士学位论文 d e m a g n e t i z a t i o nr a t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gl a s e ri n t e n s i t y t h em g ol a y e r t h i c k n e s sd e p e n d e n c ee x p e r i m e n ti nas a l n ec o m p o s i t i o nt b f e c of i l m si n d i c a t e st h a t t h et h i n e rl a y e ri se a s i e rt oa c h i e v eh i g h e rd e m a g n e t i z a t i o na n df a s t e rr e c o v e r yr a t e t h e s er e s u l t sv a l i d a t et h ec h a r a c t e r i s t i ct i m eo fe l e c t r o - s p i ns c a t t e r i n g ，a l s oa p p r o v e t h a tt h em a g n e t i z a t i o nr e c o v e r yp r o c e s si sd o m i n a t e db ys p i n - l a t t i c er e l a x t i o n w et r e a tt h el a s e ri n d u c e du l t r a f a s tm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a ld y n a m i c sa c r o s si t s c o m p e n s a t i o nt e m p e r a t u r ei ng d f e c oa l l o ya sf o c u s e dp a r ti nt h et h e s i s u p o nt h e g d f e c oa l l o yf i l mw i t ha ia sh e a t s i n kl a y e r , af u l lp r o c e s sc o n t a i n i n gs u b p i c o s e c o n d s p i nf l i p p i n g ，h u n d r e d so fp so p p o s i t em a g n e t i cd o m a i ng r o w i n g ，a n dt h e na ss c a l e i n v e r t e dd o m a i nr e v e r s i n gb a c ki s s u c c e s s f u l l y o b s e r v e d t h ep u m p - f l u e n c e d e p e n d e n c ee x p e r i m e n t ss h o wt h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lr a t ea n dt h er e c o v e r yt i m ei s g r o w i n gw i t ht h ei n c r e a s i n gp u m pp o w e r , w h i c hi s r e s u l to ft h ed i f f e r e n ti n i t i a l e x c i t i n gh o te l e c t r o n sw h i c hd o m i n a t e st h eh e a ta s s i s t e dm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a l b e s i d e s ，b yc a r e f u l l yc o m p a r i n gt h es p i nr e s p o n s eb e t w e e ns a t u r a t e da n dr e m a n e n t m a g n e t i cf i e l dc o n d i t i o n ，w ef i n dt h es u b p i c o s e c o n dm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a li sn o t r e s u l t e df r o mt h ee x t r i n s i cs o u r c eb u ti s r e a l l yo r i g i n a t i n gf r o mc e r t a i ni n t r i n s i c p r o p e r t i e s f u r t h e r m o r e ，a na b n o r m a lk e r rh y s t e r e s i sl o o pi so b s e r v e di nt h en e g a t i v ep a r to f t h ep u m p p r o b ed e l a yl i n e i nt h i s l o o p ，t h em a g n e t i z a t i o nd i f f e r e n c eb e t w e e n m a g n e t i z a t i o ns t a t e sa b o v ea n db e l o wc o e r c i v ef i e l di sf o u n d ，w h i c hp r o v i d e sa n e v i d e n c eo fs o m ek i n do fi n c o m p l e t er i g i dc o u p l i n gb e t w e e nr ea n dt ms u b - l a t t i c e s i ng d f e c oa l l o y k e yw o r d s ：f sl a s e r , u l t r a f a s td e m a g n e t i z a t i o n ，m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a l ， t b f e c o ，g d f e c o i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 南蕞念 日期：j d 哆年6 月弓日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：禹名 日期：二口d 罗年6 月弓日 导师签名：欹乞山刁 日期： 呷年厂月p 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家 知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请 专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得 以任何方式，与任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 稚念 日期：j p 0 9 年6 月3 日 第一章飞秒激光感应超快磁化动力学的研究背景及意义 第一章飞秒激光感应超快磁化动力学的研究背景及意义 1 1 引言 随着计算机应用领域的急剧扩展和互联网技术的迅速普及，人们在生活中需 要保存、处理、传递的信息量陡增，对数据存储技术的要求也越来越高。目前， 以d v d 光盘为代表的光记录成为影音文件制作和发行的主流存储方式；以硬盘 为代表的磁记录在计算机数据存储市场占掘垄断地位。然而，随着存储技术继续 朝高密度、高速度方向发展，光记录和磁记录存储技术均将面临发展瓶颈。 光记录一般利用光烧蚀介质产生凹坑或使其性质发生不可逆的变化而难于 进行多次擦写，大大限制了其应用范围；另外，由于受到光学衍射极限和烧蚀 面积的限制，记录密度难有大幅度提高。磁记录通过选用垂直记录介质，缩小记 录点占据面积可以显著提高记录密度；但随着数据位持续减小，记录磁晶的热稳 定性变差，必须选用高矫顽力的介质以克服超顺磁效应i 引，然而目前的磁头无法 提供如此大的写入磁场。 为了克服技术障碍，进一步推动数据存储技术的发展，光辅助磁记录( l a s e r a s s i s t e dm a g n e t i cr e c o r d i n g ，l a m r ) 被提出：利用聚焦激光照射记录介质， 使其温度上升矫顽力降低，从而用较小的磁场改变记录点的磁化状态，即在激光 与磁场的共同作用下实现数据记录。l a m r 在一定意义上结合了光存储的“热 化效应 和磁存储的“磁畴翻转”两个技术特征，又明显区别于这两种记录方式， 既解决了磁化高矫顽力介质困难，又改善了数据位的热稳定性，是一种很有前途 的数据记录技术1 3 吲。 开发、测试与其技术特征匹配的理想介质是发展光辅助磁记录技术的基础和 前提。一般来说，候选介质需要满足高的单轴磁晶各向异性常数、高的饱和磁化 强度、高的室温矫顽力等要求。以乃n 白，凡c b 为代表的稀土过渡族金属 合金垂直磁化膜材料，因具有优异的综合性能而受到广泛关注，已被列为高密度、 高稳定性光辅助磁记录技术的热点介质之一1 6 - 9 1 。因此，对它们的光辅助磁记录 性能开展实验研究，分析材料的光磁响应规律，对于促进介质的组分优化和结构 改进，进一步推动高密度光辅助磁记录的发展具有现实意义。 中山大学硕士学位论文 由于光辅助磁记录在本质上仍然通过磁化翻转过程实现数据位的擦写，相对 于光盘的热擦写速度要快很多。传统磁记录依靠磁场引导数据位磁晶磁化翻转， 其擦写速度主要受畴壁运动速率控制i 伸i 。而光辅助磁记录则包含激光与介质作用 时的能量交换，热磁效应的表达等，涉及到复杂的光磁作用和磁化响应机制， 有关其极限记录速度的探讨仍存在争议l i l , 1 2 l 。因此，研究乃凡国，g 匆凡d 磁光 薄膜中的激光感应磁化动力学过程，测量光激发超快磁化运动的特征时徊j ，是分 析介质的光辅助磁记录性能，估算介质的极限记录速度的重要手段。 飞秒激光技术的发展为在更短的时间尺度上探索超快过程创造了条件，研究 超快光一磁响应的作用机制，获得光辅助磁记录的时问常数，可为超高速光辅助 记录技术的发展提供理论指导和实验支持。利用时间分辨磁光克尔( 法拉第) 光谱 技术，人们已观察到m 薄膜中的亚皮秒退磁化1 1 3 i ，c o p t 3 合金中的完全退磁化1 1 4 i 现象。在稀土过渡族合金( r e t m ) 介质方面，已报道了包括乃凡国样品中的 飞秒激光感应超快退磁化1 1 5 i ，g d f e c o 样品中接近居早点的超快磁化翻转1 1 6 以及 跨越补偿点的亚皮秒超快磁化翻转1 1 7 1 新的实验结果。然而，由于光磁相互作用 的复杂性，不同系列样品的特异性质，仍需要更多更丰富的结果来进一步推进了 超快光致磁化响应现象及其动力学过程的研究工作。在此背景下，我们基于飞秒 时间分辨磁光克尔实验系统，对t b f e c o 和g d f e c o 磁光薄膜的激光感应超快磁 化动力学开展实验研究。 本章从数据存储技术出发，首先介绍光记录、磁记录的基本原理和发展状况， 引出光辅助磁记录技术的丌发背景及技术特征；随后介绍作为光辅助磁记录技术 基础的激光感应超快磁化动力学的研究进展以及仍然面临的主要i 、u j 题；最后给出 本论文的基本框架和结构安排。 1 2 数据存储技术的发展 数据存储与人们的生活息息相关，我们身边各种类型的计算机、音视频系统、 智能终端、数据卡等处处渗透着先进的数据记录技术。信息量的爆炸式增长对信 息存储技术提出了越来越高的要求，传统存储技术性能持续改进，新型存储技术 不断涌现1 1 5 - 2 1 l 。本节简要介绍光记录、磁记录以及光辅助磁记录的技术发展情况。 第一章飞秒激光感应超快磁化动力学的研究背景及意义 1 2 1 光记录 光记录是种基本的数据存储方式，各类光存储器件是当代社会重要的信息 载体。光记录一般利用光烧蚀盘面记录点写入信息，通过探测数据位的光强差异 读出。由于光烧蚀记录介质产生凹坑或使介质的性质发生不可逆变化，一直以来 阻碍了可擦写式光盘的发展，目前限制光记录发展的主要因素仍是优异可重复擦 写光记录介质的丌发，以及由光烧蚀作用时间决定的写入速度较慢。 在记录密度方面，光记录受到了光学衍射极限的限制。光学衍射极限是指当 波长一定的光被聚焦产生光斑，当聚焦斑小到一定程度时将发生光学衍射现象， 使其无法再进一步缩小。目前，采用红光读写的单面单层容量达4 7 g b 的d v d 光盘已成为数字影音发行和存储领域的主流形式1 2 2 i 。为进一步提高光记录密度， j 下在发展h d d v d 、b i u e r a y 等选用蓝紫光作为光源的光记录方案，存储密度 有望增大至单碟3 0 , - - - 5 0 g b i z 3 , z 4 i 。 1 2 2 磁记录 在各种信息存储技术中，磁记录仍然是最重要的数据存储形式，在消费电子 和计算机领域有着极为广泛的应用。作为- - f 7 传统的存储技术，磁记录一般利用 磁头的磁场磁化写入，磁电转换读出。 ( 1 ) 纵向磁记录( l o n g i t u d i n a lm a g n e t i cr e c o r d i n g ) 自上世纪五十年代以来，磁存储一直沿用纵向磁记录方式，写入磁场的磁化 方向与盘片表面平行，每个数据位的磁化都在磁盘的水平方向排列，如图1 1 ( a ) 所示。由于记录介质、读写磁头、数字信道等技术的进步，纵向磁记录作为计算 机硬盘的数据存储方式，记录密度持续上升。 一 2 0 0 0 年，i b m 率先实现了超过1 0 0 g b i n 2 的记录面密度；2 0 0 2 年，r e a dr i t e 宣向其实验室磁记录密度突破1 3 0 g b i n 2 ；2 0 0 6 年，实用化的3 5 英寸商用硬盘的 容量已达至u s o o g b ，对应记录面密度为1 2 0 g b i t i d 。纵向磁记录密度j 下逐渐接近 其1 0 0 2 0 0 g b i t i n 2 左右的理论极限1 2 5 26 | ，继续增加将非常困难。 中山大学硕士学位论文 纵向记录 西) 垂直记录 图1 - 1 纵向磁记录( a ) 和垂直磁记录( b ) ( 2 ) 垂直磁记录( p e r p e n d i c u l a rm a g n e t i cr e c o r d i n g ) 在纵向磁记录技术迅猛发展的同时，垂直磁记录也在悄然兴起。如图1 1 ( b ) 所示，它通过把水平排列的磁记录单元变为垂直排列，减少了每个数据位占据的 面积，从而显著提高存储面密度。据估计，垂直记录的潜在面密度可达到纵向记 录最大可能值的1 0 倍，意味着每平方英寸的t b i t 容量1 2 7 - 2 5 i 。 2 0 0 2 年，s e a g a t e 宣布采用垂直记录技术实现了1 0 0 g b i n 2 的面记录密度； 2 0 0 5 年，h i t a c h i 在实验室中实现了2 3 0 g b i n 2 的垂直记录密度；2 0 0 6 年，基于 垂直记录的3 5 英寸硬盘正式推出，标志着主流商用硬盘将全面采用垂直记录技 术，其作为纵向磁记录的替代技术将全速发展i ”i 。 ( 3 ) 超顺磁效应 自1 9 5 6 年i b m 推出r a m a c ，硬盘的存储密度己经从当初的2 0 0 b i t s i n 2 提升 到1 0 0 g b i t s i n 2 以上，整整提高了数千万倍。随着数据位尺寸的不断缩小，磁晶的 稳定性问题逐渐凸显出来。引起不稳定的原因在于热能，表示数据位的磁性颗粒 必须拥有足够的磁能才能抗拒热能的干扰1 3 引。若磁能低于热能，磁盘本身的温度 甚至室温就可使磁性颗粒的极性从有序变成无序，数据位的极性呈现出随意性， 导致数据的永久性丢失，这就是所谓的“超川页磁效应”。 热能为玻耳兹曼常数( 幼与温度( 7 ) 的乘积：e ，_ k t ：磁能大小取决于磁晶各 向异性常数阢) 与粒子体积( 功：e 肺= 凰圪i 土1 a r r h e n i u s n e e l 定律，磁晶的热衰减 时间t 为： t = t o e x p ( 凰y k 乃 第一章飞秒激光感应超快磁化动力孝的研究背景及意义 凰y kt 被称为能垒或稳定性参数。由计算可知，当凰矿kr = 2 5 时，热 衰减时问约为1 分钟，而当k u v k 丁= 4 0 和凰y kr = 6 0 时，热衰减时间分别为 7 5 年和1 0 9 年1 3 1 l 。为了保证介质中晶粒磁化状态的稳定，应保持较高的k v 值， 一般其数值应大于4 0 。 为了对抗超顺磁效应，人们由纵向磁记录转向发展垂直记录技术，通过增加 介质的厚度来维持或增大磁记录单元的”从而显著提高了数据存储的面密度。 然而，随着数据位的磁单元的继续减小，必须选用具有高磁晶各向异性能、高矫 顽力的磁记录介质来提高凰，以保障数据位的热稳定性。但高矫顽力的介质要求 很大的写入磁场，而目前体积不断减小的商用磁头却无法提供如此大的磁场，使 磁记录技术的发展受到了很大限制。 1 2 3 光辅助磁记录 为了解决高矫顽力介质的磁化问题，进一步推动数据存储技术朝着高密度、 高稳定性方向发展，光辅助磁记录( l a s e ra s s i s t e dm a g n e t i cr e c o r d i n g ，l a m r ) 被提出。一般地，当光照射在磁性介质上，其温度上升矫顽力降低，此时可用 较小的磁场庀录下磁信息。l a m r 就是利用光加热介质以降低矫顽力从而实现 磁记录的技术，它的基本过程是：聚焦激光束照射在记录介质上形成极小的光斑， 光斑区域温度上升导致其矫顽力降低，该位置即可在较小的外磁场( 邡作用下改 变磁化方向写入信息形成数据位( 蚴，如图1 2 所示。热源施加时大大降低介质矫 顽力，从而磁化室温下的高矫顽力介质；热源除去后记录区域冷却介质又恢复到 高矫顽力状态，从而形成室温下稳定的数据位。 图l - 2 光辅助磁记录原理。记录时在记录区域施加较小的反向偏置磁场，同时利用聚焦 激光照射记录部位，使记录位的磁化发生翻转，从而实现单位( b i t ) 记录。 张彭 记 一- 一瓣了一 黼 班 光 一“一 瓣矮 中山大学硕士学位论文 光辅助磁记录良好地解决了高矫顽力介质的写入和室温磁畴的热稳定问题， 结合不同的读出方式，它可演化成两种技术：磁光记录与光磁混合记录。 ( 1 ) 磁光记录( m a g n e t o o p t i c a lr e c o r d in g ) 磁光记录采用l a m r 写入，利用磁光( m o ) 效应1 3 2 i 读出。一束激光照射 在介质表面的数据位时，若该处磁畴为币向( 反向) 磁化，则通过磁光克尔或法拉 第效应检测其转角为+ 九( ? t ) ，即可对应读出信息“0 ( 1 ) ”。 由于磁光转角一般较d ( ? k m i c r o d e g r e e ) ，读出信号强度和信噪比受到一定 限制。因此，实际产品多利用磁耦合性能设计出多层膜结构1 1 5 - 1 8 l ，将记录层和读 出层分开以保障记录密度、改善读出效果。同时可以采用磁超分辨1 3 3 i 读出( m s r ) 、 磁畴放大删读出( m a m m o s ) 和畴壁移动检测0 3 5 i 读出( d w d d ) 等技术进一步改善 读出性能。磁光记录的发展方向包括短波长磁光记录f 3 捌，磁光超分辨近场结构记 录0 3 7 l 以及光磁混合记录1 3 8 l 。 ( 2 ) 光磁混合记录( h y b r i dr e c o r d i n g ) 光磁混合记录采用l a m r 写入，利用巨磁电阻( g m r ) 效应1 3 9 i 读出。g m r 具有在较小磁场下得到较大电阻值变化的显著优点，作为磁记录数据位的读出传 感单元性能十分优越，高灵敏度和高分辨率的巨磁阻探测，可以得到很强的读出 信号，从而克服高密度磁数据位的磁光转角较小，读出分辨率和灵敏度低的l 、u j 题。 目自矿，光磁混合记录的研究重点集中在磁头设计1 4 0 i 上，即激光头和磁头的结 合设计上，如何获得满足实用化的要求的光磁复合头是此技术关注的重点。传统 磁头在极狭小面积的磁极端部使用极薄的软磁膜，要求大的饱和磁化强度、低的 矫顽力以及在高频下高的比磁导率。目自仃硬磁盘已采用g m r 检测漏磁信号读出， 随着显示巨磁阻效应的多层膜材料的发现，各类新型g m r 磁头1 4 1 i 将陆续丌发， 而用于光磁混合记录的复合头既要考虑写人、读出磁头磁场的融合问题、又要考 虑加人激光辅助加热装置后的热传导问题。 1 3 光辅助磁记录中的两个极限 光辅助磁记录利用激光和磁场的协同作用实现数据记录，在一定意义上结合 了光存储( 热化效应) 和磁存储( 磁畴翻转) 的特征，- 去n x n ) j 显有别于这两种基本记 第一章飞秒激光感应超快磁化动力学的研究背景及意义 录方式。总体看来，它既解决了磁化高矫顽力介质的困难，又能改善信息位的 热稳定性，是一种很有前途的数据记录技术。但是，与其他记录技术一样，它的 发展也面临着两个固有指标：庀录密度和记录速度。如图1 3 所示，下一代磁盘 的存储密度将达到t b i n 2 、擦写速度超过g b p s l 4 2 4 4 l ，这也给光辅助磁记录技术的 研究和开发提出了要求。 a r e a l d e n s i t y ( b i t n 2 ) 图1 3 未来磁盘记录密度和记录速度趋势图。按年增长率6 0 或1 0 0 估算，记录 密度和速度将分别面临的热稳定性( t s ) 极限和铁磁共振( f m r ) 极限 1 3 1 光辅助磁记录的密度 硬盘作为计算机核心的磁存储设备，其记录密度的提高一直是存储技术发展 的基础和主线。从上世纪九十年代起，由于新技术的不断融入和改进，硬磁盘的面 记录密度一度以6 0 1 0 0 的年增长率快速增加。如前所述，热效应可能引起 数据位的自退磁，使数据位变得不稳定而束缚了磁盘密度向更高发展。 光辅助磁记录可采用室温下的高矫顽力磁介质，一定程度上保障了数据位的 稳定性。数据位的尺寸可由激光光斑和磁头尺寸的大小共同优化减小，结合选用 高性能垂直磁化膜，可以最大限度地提高记录密度。其中采用光辅助磁写入、巨 磁阻磁头读出的光磁混合记录技术，理论上可达到t b i n 2 的记录密度1 4 引。一 开发适合高密度光辅助磁记录的理想介质一直是该领域研究的热点和难点。 候选介质应具备如下特征：具有高的单轴磁晶各向异性常数凰；室温下具有 高的矫顽磁力皿，激光照射后仇迅速下降；具有高的饱和磁化强度尥：具 有纳米量级的记录畴尺寸矾。目前，正在研究的介质包括：磁光型，t b f e c o 系 1 4 “引，d y s m c o 系 4 9 , 5 0 l 等；硬磁型，s m c o 系0 5 1 i 、c o c r p t 系1 5 2 i 等；多层膜型，p t c o l 5 3 i ， puo鬈s盏一要星童”鬲卢 中山大学硕士学位论文 p t f e l 5 4 i 系等。由于各类材料具有各自不同的优点和特性，亟需对它们的光辅助 磁记录性能进行细致的研究工作，获得丰富的实验结果，促进材料的组分改进和 结构优化，进而有力推动光辅助磁记录技术的发展。 1 3 2 光辅助磁记录的速度 记录速度是存储技术中与记录密度同等重要的指标，高密度的存储介质客观 上要求具有高速的读写性能，这样才能满足日益增长的数据存取需求。随着磁头、 磁盘及侍服系统等的优化改进，磁记录速度不断提高。然而，常规的纯磁写入方 式存在一个不可回避的问题，被称为铁磁共振( f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e ，f m r ) 极限1 5 5 i ，将磁化翻转频率限制在1 3g h z 之帕j ，意味着记录速度将很难被提高 到超过1 0g b p s ( g i g a b i t sp e rs e c o n d ) 。 由于光辅助磁记录技术仍然是靠磁畴翻转的物理过程来实现数据位的擦写， 相对于光盘来讲速度要快很多。从记录过程的角度看，由于增加了热能积累过程， 基于的热磁写入的光辅助磁记录速度要比基于纯磁写入的传统磁记录速度慢些。 然而，一些实验结果0 16 ，1 7 i 显示光辅助磁记录可能具有10 10 0 0g b p s 的潜在速度， 这促使着人们重新对光辅助磁记录涉及的热磁响应过程进行深层探索。 传统的磁记录依靠外磁场引导数据位磁晶磁化翻转，即磁场作用下的初始取 向磁畴的弱化及反向磁畴的生长过程，擦写速度主要受畴壁运动速率限制。光辅 助磁记录则涉及激光与介质作用时的能量获取、积累、传递、耗散过程，以及其 中最为核心的光激发磁化效应的机理问题，其擦写速度显然受光磁响应时问的 约束，而此过程中蕴含着的丰富物理现象正是“飞秒激光感应超快磁化动力学 的研究范畴。 1 4 飞秒激光感应超快磁化动力学进展 1 4 1 瞬态磁现象及其特征时间 磁化动力学一直以来都是铁磁性物理研究的热点内容。随着磁存储密度的不 断提高，人们对高速磁记录的需求也不断增强，客观上推动了对各类瞬态磁现象 的研究工作。其中，尤以对与磁记录紧密相关的磁化动力学及其特征时间的研究 最受关注。 第一章飞秒激光感应超快磁化动力学的研究背景及意义 磁性材料在外磁场下的磁畴运动i 矧是一种宏观效应，对应于磁畴的成核及 畴壁移动。其基本过程可描述为磁场引导的磁畴生长，并形成一个平行磁场取向 的净磁矩。这个瞬态过程对应于磁偶极相互作用和磁晶各向异性的形成，时间尺 度的延伸较长，从1 0 8 s 到若干m s ，并强烈依赖于材料的结构、尺寸和均匀度。 磁畴磁化矢量的转动1 5 7 1 是一种更快的过程。对于多畴的磁性材料，当畴壁 移动已基本结束，而外场进一步增加时只有磁畴磁矩的转动才能使磁化强度增 大，磁矩方向由远离外场逐渐同向于外场。这个瞬态过程发生在1 0 j o 到1 0 s 的 时间范围内，并依赖于诸如磁畴大小、几何结构以及周围退磁场的方向和强度。 在更短时i 日j 内发生的是磁化动力学中的振荡衰减过程i s 引。它在微观上对应 为自旋波与声子之间的相互作用，瞬态时间在l o 一1 到l o o s 左右。目前已发展了 b l o c h l 5 9 i ，l a n d a u l i f s h i t z g i l b e r t ( l l g ) 1 6 0 , 6 1 1 等模型用于描述来自旋弛豫过程。 本研究涉及的激光感应磁化动力学，主要关注磁系统的光激发超快磁化响应以及 自旋弛豫过程，应是属于此范围内的瞬念行为。 1 4 2 飞秒激光感应超快退磁动力学 直至上世纪九十年代中期，人们普遍认为铁磁金属中的热磁写入过程由自 旋品格弛豫控制，特征时间在纳秒量级1 6 2 - 6 4 i ，据此估算的记录速度也被视为理 论极限。飞秒激光技术的发展，为进一步精确跟踪光感应磁化态响应创造了条件。 1 9 9 6 年，e b e a u r e p a i r e 等人1 1 3 i 采用飞秒时间分辨抽运探测技术研究m 薄膜中 的光激发磁化态响应行为，用脉宽为6 0 f s 的抽运光激发样品并进行了反射吸收 光谱和磁光克尔光谱的测量，首次实验观察到亚皮秒的超快退磁现象。 此前，人们普遍从热电子激发的“两温度模型1 6 5 i 出发描述铁磁体内的光致 磁化响应：热电子加热晶格使其温度升高，而后通过晶格自旋相互作用改变物 质的磁化状态，其间电子与自旋之问并不直接交换能量。然而，该模型在解释 e b e a u r e p a i r e 等的亚皮秒超快退磁化结果时遭遇了严重的困难，为了理解这一实 验现象，一种被称为“三温度”模型的理论被发展： 铁磁系统吸收的光能量在电子( p ) 、自旋 ) 、晶格( d 三个子系统之间进行交换， 用唯象的温度参量描述即分别表示为电子温度瓦、自旋温度瓦和品格温度乃， 三个系统的相互作用关系( p 为光激发能量，劬、瓯、瓯为相互作用常数) ： c ( t j d t d t 一吲t n ) - 吼( 叫+ h 0 c ( 珀d 甜d r = - 以( 7 t ) e ，( 牛n ) ， c 盯4 d t d t g a ( t r t 6 。盯r t 童7 0 0 吾m 莹5 0 0 要 3 鬼 怛 l 1 。 ( b ) f 霄 磷 一 0 24 6 t f p s ) n246 a t “) 图1 一激光感应超快磁化动力学的“三温度”模型 如图1 4 ，飞秒激光的激发能量首先被铁磁材料叶 的咆了系统吸收，。生高能 热电了，这此热f u 子通过电子一电子碰掩而形成费米一狱拉克分柑l l ，具有r 乜 子热、平衡温度t ：时i ur 系统与白旋系统、品格系统相互作用，通过系统l 可 的热变换将能鞋传递给白旋和品格。由于品格系统比白旋系统有人得多的比热容 l ”l ，热化后的电子通过电了= 自旋散射，l 和l 先逃到甲衡( 这过程的特征时 问称为f 。，约1 0 0 3 0 0 ) ；同时通过电子一品格j _ | 1 互件川( 特征时可f “) 、自艟 品格桐瓦作川伴 征时日jr 小，如剀1 5 所示，三个系统迅进达到i , j 一温度。之后， 二：个系统将以同速率弛豫最终恢复剑铁磁系统的初婚忐。 镑 瓷参二- 吧夕 o 图l “三温度”模型予系统间的能量转化关系及其特征时问 这一发耻引发丁人们对铁磁材料一 】的激光感应超快退磁化奉质的研究兴趣， 随后，jh o h l f e l d 等川利用时| 1 j j 分辩的磁致襄丽次谐被法( m s s h g ) 研究多品 n 块体材_ = _ 巾的t d t ) 和t 俐，as c h o l 等m l 用自艟分辨般光f 光 乜发射浊 f s r t p p l 测量m 薄麒退磁过程，均发现类似时州尺度的超伙退磁化现象。， 第一章飞秒激光感应超快磁化动力学的研究背景及意义 1 4 3 飞秒激光感应超快磁化翻转动力学 ( 1 ) 光辅助磁记录的写入方式 在光辅助磁记录中，一般利用聚集激光对介质的记录位加热，在外磁场作用 下引导磁晶磁化翻转实现信息的写入。根据记录介质的特性差异，光辅助磁记录 可分为居里温度( 或称居里点) 写入1 7 2 1 和补偿温度( 或称补偿点) 写入i ”，7 4 1 两种。 居里温度( r a 写入。一般的磁记录材料在光激发使其温度接近疋时，磁晶 由铁磁态向顺磁态趋近，矫顽力显著降低，如图1 - 6 ( a ) 所示，此时施加反向小磁 场即可诱导数