2. - 磁学国家重点实验室 - ä¸­å›½ç§‘å­¦é™¢ç‰©ç†ç ”ç©¶æ‰€

中 科 院 物 理 所 学 术 方 向 2010 年 报 告 -2011-1-13磁 性 纳 米 结 构 与 飞 秒 磁 学Nanomagnetism and Femtomagnetism (Smaller & Faster)成 昭 华 、 张 向 群 、 杨 海 涛 、 何 为中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 磁 学 国 家 重 点 实 验 室State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

一 、 主 要 工 作 进 展 (2008-2010)• 准 一 维 Fe,Co 纳 米 链 的 磁 各 向 异 性 的 调 控• 磁 性 纳 米 颗 粒 的 化 学 自 组 装 生 长 及 其 高 频 磁 性• 高 磁 灵 敏 、 微 区 磁 动 力 学 过 程 探 测 系 统 研 制• 锰 氧 化 物 单 晶 大 各 向 异 性 磁 电 阻 与 时 间 分 辨 电 子 相 分 离• 多 铁 材 料 磁 化 强 度 的 调 控State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

( 一 ). 准 一 维 磁 性 纳 米 链 单 轴 磁 各 向 异 性 的 人 工 调 控磁 各 向 异 性 的 重 要 性1. 低 维 体 系 中 长 程 磁 有 序 的 来 源 ( 磁 性 量 子 理 论 )2. 磁 性 材 料 的 主 要 参 数• 高 矫 顽 力• 超 高 密 度 磁 记 录• 高 频 特 性• 超 快 动 力 学 - 飞 秒 磁 性State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

( 一 ) 准 一 维 磁 性 纳 米 链 磁 各 向 异 性 调 控1. 原 子 台 阶 导 致 面 内 单 轴 磁 各 向 异 性 增 强2. 磁 晶 各 向 异 性 与 单 轴 各 向 异 性 共 同 调 控 磁 各 向 异 性3. 纳 米 点 间 相 互 作 用 对 磁 各 向 异 性 调 控State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

原 子 台 阶 对 磁 各 向 异 性 调 控0.1°miscut substrateLL T4°miscut substrateFe Co Fe CoD.L. Sun, Z.H. Cheng, et al., Appl. Phys. Lett. 94(2009),012504State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

原 子 台 阶 对 磁 各 向 异 性 调 控SMOKE 信 号 垂 直 于 膜 面3.1 ML 115KSMOKE 信 号 平 行 于 线3.1 ML 115KSMOKE 信 号 与 线 成 60 度 角3.1 ML 300KSMOKE 信 号 与 线 成 90 度 角3.1 ML 300KSMOKE 信 号 垂 直 于 线3.1 ML 115K‣ Shape anisotropyD.L. Sun, Z.H. Cheng, et al., Appl. Phys. Lett. 94(2009),012504

Hres ( kOe)ESR signal amplitude ( a. u. )电 子 自 旋 共 振 确 定 磁 各 向 异 性1030507090705030P1 P29010P1 P20 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8(a) Magnetic field ( kOe ) (b) Magnetic Field ( kOe )8chains direction chains direction62.042 0 15 30 45 60 75 90(c)2 H ( degree )cos( H1.81.6) 4M0 15 30 45 60 75 90(d)eff ( degree )2KMSucos2 H cos( ex situESR signalsg =2.032K u /M S = 150 Oe4πM eff = 3.51 kOeM s = 1700 GK u = 1.3×10 4 J/m 3H) 4KMSucos2.D.L. Sun, Z.H. Cheng, et al., Appl. Phys. Lett. 94(2009),012504

磁 晶 各 向 异 性 的 贡 献Fe/FeSi 2 /Si(111)Fe(111) ∥ Si(111)Fe [-1-12] ∥ Si [11-2]50nmH.F. Du, Z.H. Cheng,et al., Appl. Phys. Lett. 96(2010),142511State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

磁 晶 各 向 异 性 与 面 内 单 轴 磁 各 向 异 性 共 同 作 用电 子 自 旋 共 振 确 定 磁 各 向 异 性07090FMR signal amplitude (a.u.)30609012015018040 50 60 70 80H (mT)Hr (mT)4070270FittingDataKu=0=02 2 2 2 2 2 2 2 2E 0M ˆSH μ K( 11 2 2 3 3 1) + K( 21 2 3)K ( μˆn ˆ ) K ( μˆn ˆ ) K( μˆnˆ )u u d d s s0

纳 米 点 间 相 互 作 用 对 磁 性 与 磁 各 向 异 性 的 影 响Monte Carlo 模 拟 磁 性 与 各 向 异 性MatlabFe (0.84nm 50nm×50nm)BAModel in MC SimulationMLT ApproachFeatures of real system:• Disorder position• Volume distribution• Irregular shape1008060402000 50 100 150 200 250Frequency Number120CountVvolume distributionH.F. Du, Z.H. Cheng,et al., Appl. Phys. Lett. 96(2010),132502

纳 米 点 间 相 互 作 用 对 磁 性 与 磁 各 向 异 性 的 影 响0.40.3Experimental DataFFT ModelModel Without InteractionDIP ModelM R/M S0.20.10.060 120 180 240 300 360T (K)H.F. Du, Z.H. Cheng,et al., Appl. Phys. Lett. 96(2010),132502

纳 米 点 间 相 互 作 用 对 磁 性 与 磁 各 向 异 性 的 影 响偶 极 相 互 作 用Fe/FeSi 2 /Si(111)H.F. Du, Z.H. Cheng,et al., Appl. Phys. Lett. 96(2010),142511Y.P. Fang, Z.H. Cheng,et al., Appl. Phys. Lett. 97(2010),022507

M2. 磁 性 纳 米 颗 粒 的 化 学 自 组 装 生 长 及 其 高 频 磁 性IC sensorMobile phoneRFIDT-DMBvideoDVBUHF 帯IMT-2000W-CDMAcomputerBluetooth無 線 LANUltra Wide Band (UWB)500MHz1GHz 2GHz 5GHz 10GHzDevelopment of new type of material for high-frequency electronic device!!high frequencyhigh speedsmall electric deviceslow electricity consumption

磁 性 纳 米 颗 粒 的 化 学 自 组 装 生 长 及 其 高 频 磁 性3.016nm Fe 3O 4-20nm shell2.59nm Fe 3O 4-12nm shell5 nm Fe 3O 4-12 nm shell~3nm~ 5nm2.01.51.00.50.010 100 1000~ 12nm~ 16nmFrequency (MHz)State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

( 三 ) 高 磁 灵 敏 、 微 区 磁 动 力 学 过 程 探 测 系 统 研 制Temporal resolution: 100fsSpatial resolution: 500 nm

2010.12.222011.01.05磁 性 纳 米 结 构 的 超 快 磁 动 力 学 过 程 - 飞 秒 磁 学CoFePt @Ruhr Uni., Germ)CoFePt@IPCAS,Beijing0-1-2520nm-3-4-51052 1054 1056 1058 1060Time (ps)CoFePt@IPCAS,BeijingFe/MgO(001), 何 为 @IPCAS0.00.51.01.52.02.53.03.5-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Time (ps)123456780 200 400 600 800 1000Time (ps)Frequency (GHz)14121086420perpendicular field Vs Frequency80 100 120 140 160 180Magnetic field (mT)

发 表 文 章 及 会 议 报 告 (2008-2010)•Phys.Rev. Lett. 3 篇•PNAS 1 篇•Adv. Mater. 1 篇•Appl. Phys. Lett. 7 篇•Phys. Rev. B 1 篇•Nanotechnology 2 篇• 其 他 SCI 27 篇• 国 际 会 议 邀 请 报 告 3 次• 国 内 会 议 特 邀 报 告 10 次2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010培 养 研 究 生 17 人 , 其 中 7 人 获 博 士 学 位 ,1 人 硕 士 学 位State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cnNumber2520151050Publication SummaryTotal PublicationFirst authorHigh Quality JournalsYear

二 、 科 学 意 义 与 目 标磁 性 纳 米 结 构交 换 作 用E 各 向 异 性维 度 与 电 子 态 的 关 系三 维二 维 或 一 维维 度 与 磁 性 的 关 系宏 观 量 子 效 应 和 量 子 隧 穿Magnetization (arb.unit)Fe on Cu(111)2D1D0D-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000Magnetic field (Oe)T = 45 KCu(111)Cu(111)Cu(111)mmmremanent magnetization (arb.unit)0D1D2DMr-2DMr-1DMr-0D0 50 100 150 200 250 300Temperature (K)

磁 学 与 磁 性 材 料 分 类收 录 论 文 1570 篇8% 7% 6% 7% 13%8%16% 7% 6%12%10%2010.11.14-18, 亚 特 兰 大FundamentalME MaterialsSpintronicsDynamicsSoft MagnHard MagnNanostructureSpecial MagnRecordingApplicationImaging

生 物 医 学纳 米 磁 性 的 机 遇 与 挑 战Ultrasoftmagnet能 源Ultra StrongPermanentMagnets信 息Ultra HighDensityMediaNano-BioMag.Spin-BasedQubitsComputer FromTest TubeHierarchicallyAssembledMediaGrand Challengesin NanomagnetismMagnetic LogicInstant Boot-upComputerSpin TransistorWith Gain~100%Spin PolarizedMaterialsRT MagneticSemiconductorsS.D. Bader,RMP (2006)State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

下 一 步 研 究 计 划MBE 自 组 装 浮 区 熔 炼磁 性 纳 米 结 构人 工 设 计 和 可控 生 长 ;低 维 受 限 系 统 的 磁 性超 快 自 旋 动 力 学SMOKE Signals (arb.units)1.0081.0060.84 ML Polar1.006 0.84 ML Longitudinal1.0041.0041.0021.0021.0001.0000.9980.9980.996-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400Magnetic Field (Oe)SMOKE signals (arb.units)1.0141.0143.8 ML Polar1.0121.0123.8 ML Longitudinal1.0101.0101.0081.0081.0061.0061.0041.0041.0021.0021.0001.000-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400Magnetic Field (Oe)SMOKE Signals (arb.units)1.0161.0141.0121.0101.0081.0061.0041.0021.0000.9981.7 ML Polar1.7 ML Longitudinal-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400Magnetic Field (Oe)1.0141.0121.0101.0081.0061.0041.0021.0000.9980.996State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

尺 寸 更 小磁 成 像 技 术 及 其 空 间 分 辨T.Eimueller, SFB 491 summer school 2

磁 成 像 技 术 及 其 时 间 分 辨响 应 更 快10 ns Thermal activation1 nsGilbert damping100 ps10 ps1 ps100 fsSpin precessionSpin lattice relaxation time?electron lattice relaxation timeSpin-orbitcoupling10 fs1 fsExchange interaction100 asEimueller, SFB 491 summer school 2007

性 能 更 强

三 、 研 究 队 伍 与 条 件 保 障研 究 队 伍磁 性 纳米 结 构杨 海 涛何 为磁 共 振 与超 快 过 程张 向 群氧 化 物 单晶 与 多 晶承 担 项 目• 973 项 目• 基 金 委 重 点 项 目• 基 金 委 面 上 基 金• 中 科 院 设 备 研 制State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

条 件 保 障单 晶 生 长 炉 (2002) 电 化 学 实 验 室 (2003)MBE/SPM/SMOKE/MS(2004)电 极 磁 输 运 (2002) 穆 斯 堡 尔 谱 仪 (2003) 科 尔 显 微 镜 (2009)State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

条 件 保 障磁 性 纳 米 颗 粒 的 自 组 装 生 长(2009)syringesynthesisThermometerSize-selectiveGlove box (O 2, H 2O

条 件 保 障高 磁 灵 敏 、 微 区 磁 ( 自 旋 ) 动 力 学 过 程 探 测 系 统(2010)0.140.12pulse durationFWHM= 46 fs0.10Intensity (a.u.)0.080.060.040.020.00-60 -40 -20 0 20 40 60Time (fs)

致谢• 科 技 部• 基 金 委• 科 学 院• 物 理 所State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn