快速获取材料超快退磁大小与分布的方法

摘要

本发明涉及材料分析测试方法，尤其是快速获取材料超快退磁大小与分布的方法。该方法具体为：使用X射线衍射仪测量研究材料的晶体学参数，晶体学参数包括材料所属的空间对称群、晶格常数、以及各原子对应的分数坐标；通过应用密度泛函理论，结合材料晶体学参数可获得材料的基态性质，主要有材料的磁矩、费米面和能带结构，确定研究材料简约布里渊区内各k点上的自旋密度矩阵和以及电偶极跃迁矩阵和计算出自旋预期值差矩阵偶极跃迁矩阵以及能量窗口选择矩阵研究材料退磁的大小通过对称操作可以得到飞秒磁性在整个动量空间中的分布情况。本发明的方法具有需求资源少、成本低、简单可行的特点。

权利要求

1.快速获取材料超快退磁大小与分布的方法，其特征在于：第一步，使用X射线衍射仪测量研究材料的晶体学参数，晶体学参数包括材料所属的空间对称群、晶格常数、以及各原子对应的分数坐标；

第二步，通过应用密度泛函理论，结合上述材料晶体学参数可获得材料的磁矩、费米面和能带结构，确定研究材料简约布里渊区内各k点上的自旋密度矩阵 和以及电偶极跃迁矩阵 和第三步，计算出自旋预期值差矩阵 偶

极跃迁矩阵 以及能量窗口选择矩阵 第四

步，研究材料退磁的大小 通过对称操作可以得到飞秒磁性在整个动量空间中的分布情况；

其中i和j表示跃迁的能级指标，k为波矢指标，△S为能级跃迁时产生的自旋变化，D为电偶极的跃迁矩阵元， 和 为研究材料简约布里渊区内各k点上的自旋密度矩阵， 和 为研究材料简约布里渊区内各k点上的偶极跃迁矩阵，Re和Im分别表示实部和虚部， 为能量窗口选择矩阵。

2.权利要求1所述的快速获取材料超快退磁大小与分布的方法，其特征是：能量窗口选择矩阵其中△E表示能量差，hω表示激光光子能，hω±δE表示能量窗口。

说明书

快速获取材料超快退磁大小与分布的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料分析测试方法，尤其是快速获取材料超快退磁大小与分布的方法。

背景技术

[0002] 在飞秒（10-15秒）级的激光脉冲用下，材料的磁性会在很短的时间内急剧下降—超快退磁，研究该退磁机制以及能够有效操控电子自旋的行为被称之为飞秒磁性（femtosecond magnetism）。基于这一研究，人们有望在磁存储技术上取得重大突破。在磁存储器中，数据存储速度取决于电子自旋的反转速度。通过飞秒激光脉冲辅助，磁性材料实现超快退磁，能够使自旋在飞秒时间内反转，因此可以大幅度提高数据存储速度。与目前商用的磁存储速度（纳秒级）相比，有6个数量级的提升空间，因此前景十分诱人。

[0003] 实验上，目前对材料飞秒磁性的测量主要是实空间的测量。如时间分辨的磁光克尔技术（TR-MOKE），以及时间分辨的光电子发射谱（TR-PESS）等。但是这些实验手段只能测量实空间的退磁信息，而更多动量空间的性质却无法触及，这无疑阻碍飞秒磁性的发展。虽然角分辨光电子（AR-PE）能够实现动量空间的测量，但该技术只局限于电荷，晶格或电子的动力学性质的测量。因此要获得更多有价值的退磁信息，必须实现动量空间退磁信息的测量。

[0004] 理论上，对飞秒磁性的研究，主要是采用自旋动力学计算来实现，即求解含时的薛定谔方程或刘维尔方程。由于要将实空间退磁信息经过傅里叶变换到动量空间，因此对动量空间中的格点要密集划分。这就要求之后对动力学过程的模拟，需求解近十万个偏微分方程，这是一个十分艰巨的工作。目前只有在超级计算机集群上，才可以完成。

[0005] 综上所述，对飞秒磁性的研究必须寻求一种更为简单的方法，以获取超快 退磁在动量空间中的大小和分布，进一步对电子自旋的操控起到至关重要的作用。无论是从科学研究，还是从实际应用上来讲，本发明都具有十分重要的价值。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供用于快速获取材料超快退磁大小与分布的方法，该方法需求资源少、成本低、简单可行。

[0007] 本发明的快速获取材料超快退磁大小与分布的方法，

[0008] 第一步，使用X射线衍射仪（XRD）测量研究材料的晶体学参数，晶体学参数包括材料所属的空间对称群、晶格常数、以及各原子对应的分数坐标；第二步，通过应用密度泛函理论，结合材料晶体学参数可获得材料的基态性质，主要有材料的磁矩、费米面和能带结构，确定研究材料简约布里渊区内各k点上的自旋密度矩阵 和 以及电偶极跃迁矩阵 和 第三步，计算出自旋预期值差矩阵偶极跃迁矩阵 以及
能量窗口选择矩阵 第四步，研究材料退磁的大小 通过对
称操作可以得到飞秒磁性在整个动量空间中的分布情况；对称操作是指物理或化学体系中的原子轨函、分子、晶体等均可视作一类具有对称性的图像以对称操作、对称元素等来描述其在空间排布上的(对称)相关性。

[0009] 其中i和j表示跃迁的能级指标，k为波矢指标，△S为能级跃迁时产生的自旋变化，D为电偶极的跃迁矩阵元， 和 为研究材料简约布里渊区内各k点上的自旋密度矩阵， 和 为研究材料简约布里渊区内各k点上的偶极跃迁矩阵，Re和Im分别表示实部和虚部， 为能量窗口选择矩阵，具体为

[0010]

[0011] 其中△E表示能量差， 表示激光光子能， 表示能量窗口。

[0012] 本发明的快速获取材料超快退磁大小与分布的方法，其中所述的公式（1）是根据有关理论推导而来的，具体的过程如下：

[0013] 使用简单的二能级模型来进行简单说明。当飞秒激光脉冲照射在材料上，材料中的电子会被激发，从能量较低的基态E跃迁到能量较高的激发态E′。由于自旋轨道耦合的存在，自旋量子数不再是好量子数，脉冲场的电偶极相互作用通过轨道角动量作用到自旋量子数上，使系统能够发生自旋弛豫。因此系统的退磁取决于两个因素：（1）能级跃迁时产生的自旋变化△S；（2）电偶极的跃迁矩阵元D。△S和D表现为一种互相竞争的关系，只有当它们同时达到最大时，系统才有可能出现最大退磁。

[0014] 因此根据以上的分析，我们提出光致退磁算子 考虑到实际体系是多能级跃迁，且在动量空间中，我们将光致退磁算子定义为如下形式：

[0015]

[0016] 其中i和j表示跃迁的能级指标，k为动量指标。

[0017] 进一步考虑脉冲场的效应，在跃迁过程中起到能量窗口的选择，根据申请人之前的研究表明，这种跃迁是一种共振跃迁，即跃迁的能量窗口要与脉冲光子的能量匹配。对于能带结构的跃迁要满足以下条件：初态在费米面之下，激发态在费米面之上，并且能量差（△E=Ej-Ei）在激光光子能量 附近的一个能量窗口 之内。因此，定义能量窗口选择矩阵：

[0018]

[0019] 于是可以得到在激光外场作用下体系动量空间里各k点上的光致退磁算子为：

[0020]

[0021] 为了验证公式（1）的正确性，我们采用刘维尔方程严格计算了自旋动力学性质， 在此基础上获得了动量空间里的退磁信息 结果表明，光致退磁算子能够很好的表征动量空间的退磁信息，与 的匹配性很好。公式（1）具有的物理意义为：光致退磁算子不仅可以将偶极跃迁和自旋期望值变化这两种贡献联系起来，还可以将这种变化与外脉冲场关联起来。更重要的是，利用这种方法可以快速得到材料的飞秒磁性。

[0022] 本发明有以下优点：

[0023] 1.成本低，容易实现。与完全的实验方法相比，本发明涉及的方法实现简单，无需花费巨资购买高级测试仪器，仅需在XRD上测试晶体学参数，使用普通台式机即可进行计算。

[0024] 2.需求的计算资源很少，得到结果快。与自旋动力学方法一般需要大型计算机集群数周时间来进行计算相比，本发明涉及的方法需要的计算量小很多。

附图说明

[0025] 附图1为利用刘维尔方程计算得到的面心立方镍在实空间的自旋动力学特性；

[0026] 附图2为本发明的方法（a）与自旋动力学方法（b）分别得到的面心立方的单质镍的退磁大小与分布在动量空间中的等值面对比图。

具体实施方式

[0027] 以下结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

[0028] 如附图1所示，在本发明中，利用刘维尔方程计算得到的面心立方镍在实空间的自旋动力学特性，最大退磁出现在11fs附近，符合飞秒退磁以及实验的结果。

[0029] 如附图2所示，本发明所涉及的方法得到的退磁大小和分布和自旋动力学计算得到的结果都非常接近，等值面都设在-0.1处，采用的单位分别为 和μB。

[0030] 以上结果进一步说明，为了验证公式（1）的正确性，申请人采用刘维尔方程严格计算了自旋动力学性质,详细参见图1，在此基础上获得了动量空间里的 退磁信息 结果表明，本发明能够很好的表征动量空间的退磁信息，与 的匹配性很好，详细参见图2。

[0031] 下面以面心立方的单质镍为例，说明本发明的具体实施方式。

[0032] 将面心立方的单质镍放入X射线衍射仪，测试后经分析得到其晶体结构为面心立方，晶格常数为 镍原子分数坐标为（0，0，0）；通过应用密度泛函理论，结合材料晶体学参数可获得材料的基态性质，在本实施例中，是将上步得到的材料晶格参数输入WIEN2k程序，Rmt*Kmax取9.5，交换关联势取GGA96，k点划分取104×104×104。考虑自旋极化以及自旋轨道耦合，进行自洽循环计算；再使用WIEN2k组件optic程序计算并输出材料简约布里渊区内各k点上的自旋密度矩阵 和 以及电偶极跃迁矩阵 和 入射激光脉冲的光子能量取 跃迁能量窗口取2.0±0.2eV。研究材料退磁的大小 得到材料在动量空间中简约布里渊区内各k
点的退磁大小，再通过16个对称操作，就可以得到材料在动量空间中的分布情况。