同步辐射原位磁场研究平台及磁性纳米点阵研究

Magnetic materials demostrate abundant physics characteristics in nano scale, such as magnetic vortex, magnetic neighbour effect and exchange bias, et al. These characteristics are relevent to the electron structure, especially the spin structure, in materials. Research on the characteristics can not only help to understand the magnetic mechanism, but also provide a powerful tool for improving the function and quality of spin electrons devices. Synchrotron based x-ray dichroism and magnetic imaging are important methods in study on the spin structure. In worldwide synchrotrons, most of the magnetic beamlines can provide the in-situ magnetic and cryo environment. In this project, we plan to develop the XMCD, XMLD and STXM with in-situ magnetic and cryo environment based on the soft x-ray spectromicroscopy beamline in SSRF, and provide a synchrotron magnetic platform with the abilities of element resolved magnetic probing and imaging. In combination with the x-ray interference lithography beamine, researches will be performed focused on several scientific frontier problems on magnetic nano dot arrays, for example, the reversal and control of the polarity and chirality of magnetic vortex, exchange bias field in antiferromagnetic vortex. We will explore the magnetic mechanism of magnetic vortex in nano scale and the relationship between micro-structure and macro-function, and make great efforts to do some original and characteristic work.

磁性材料在纳米尺度下表现出非常丰富的物理特性，如磁涡旋、磁近邻效应和交换偏置等，这些物理特性与材料的电子结构特别是自旋结构密切相关，对其进行研究不仅可以深入认识磁性机理，同时也为提高自旋电子器件的功能和品质提供了有力的工具。同步辐射磁二色和磁成像技术是研究自旋结构的重要手段，世界上大多数同步辐射的磁学线站都具备原位磁场和低温环境。本项目拟基于上海光源软X射线谱学显微线站，发展原位磁场和低温环境下的XMCD、XMLD和扫描透射显微技术，为用户提供一个具备元素分辨能力的磁结构和磁成像的同步辐射磁性研究平台。同时结合上海光源干涉光刻分支线站，对磁性纳米点阵中的若干前沿问题开展研究，如磁涡旋极性与手征性的反转、控制，反铁磁涡旋的交换偏置等，探索其在纳米尺度下的磁性机理，微观结构和宏观性能之间的关系，力争做出一些原创的、有特色的成果。

我们基于上海光源STXM实验站，实现了结合原位磁场和低温环境的XMCD、XMLD和STXM方法，磁场高达3200高斯，温度最低90K，扩充了STXM和磁二色方法的应用范围，增强了STXM实验站的功能，可以进行以前在零场和常温下无法实现的研究。自该装置对用户开放以来，已有几十个用户课题组使用了该装置，取得了丰硕的成果，发表文章近百篇，促进了国内磁学领域的研究。.同时，利用建成的原位磁场和低温平台，围绕磁涡旋等领域进行了若干前沿研究，系统研究了磁涡旋结构中手征性和极性的独立控制机制，提出了一系列可以实现手征性和极性独立控制的磁涡旋结构，包括双圆结构、矩形结构、双五边形结构、双六边形结构和对称不规则结构。在这些结构中，仅通过改变面内饱和磁化的方向，就可以实现手征性和极性的任意组合。进一步从磁化动力学出发，提出了实现手征性和极性独立控制的一般性规则：第一、纳米结构必须是关于x，y轴对称；第二、纳米结构的左右两部分分别都能形成一个涡旋态。对于任意的磁性纳米结构，只要符合该规则，均能实现手征性和极性的独立控制。.另外，提出了一种新型的人工自旋冰磁性纳米结构—涡旋人工自旋冰，由六边形结构和三角结构交替组合而成。采用蒙特卡洛方法研究了不同晶格常数的涡旋人工自旋冰在外场下的磁化过程，该结构表现出了不同于Kagome Lattice的性质，总共有4种子结构：顺时针六边形结构、逆时针六边形结构、正阻挫节点和负阻挫节点。在磁化过程中这四种子结构有不同的出现时机和最大频率，当晶格常数比较小时，顺时针六边形结构和逆时针六边形结构更容易出现，表明整个体系更接近基态；当晶格常数增大时，两种六边形结构的最大出现频率逐渐降低，而两种节点结构的最大出现频率逐渐升高，表明节点中出现更多的激发态，整个体系更加远离基态。整个体系的阻挫程度可以通过改变晶格常数进行调节。这种新型人工自旋冰的提出扩充了人工自旋冰的种类，为人工自旋冰中阻挫的研究提供了一个新的视角。