铁磁金属纳米结构的磁各向异性及超快自旋动力学研究

The objectives of modern data storage industry can be summarized by the slogan "smaller and faster." it is urgently required to develop novel principle and technique for probing quantum spin sates with ultrahigh sensitivity and ultrafast time scale spin dynamics. Magnetic anisotropy is not only the origin of long-range-magnetic-order for low-dimensional magnetic system, but also play a vital role in determing magnetic properties of a various kind of magnetic materials.The fundamental and practical limit of the speed of magnetization reversal is a subject of vital importance for magnetic recording and information processing technologies as well as one of the most intriguishing questions of modern magnetism. In this project, we will focus on the controllable growth of magnetic nanodaots,nanowires and ultrathin films; To modify the dot-dot coupling and magnetic anisotropy via substrate decoration as well as interfacial engineering; To investigate the correlation between spin state and spin moment, orbital moment and spin-orbit coupling; To explore the ultrafast spin dynamics by means of the time-resolved MOKE and Kerr microscopy; To solve the key challenge in detecting and manipulating the single spin by combining the pulse laser with 100 fs temporal resolution and scanning tunneling microscopy with atomic resolution. Our research work will open up a new avenue for magnetic quantum dots for next generation quantum magnetic storages.

磁性纳米结构向尺寸更小、磁化强度随外场响应更快的发展趋势，迫切需要在更小空间尺度和时间尺度上对磁化翻转以及频率的响应等动力学过程进行研究。探索磁化强度随外加交变场响应的速度极限是超高密度磁存储与高频自旋电子实际应用和现代磁学基础研究中至关重要的课题之一。磁各向异性不但是低维体系产生铁磁有序的最主要来源，也是磁性材料至关重要的参数之一，对超快自旋动力学的有非常重要的影响。 本项目拟重点研究通过制备工艺的改善获得尺寸和空间分布均匀的磁性纳米点、纳米线阵列和异质结构薄膜，实现结构有序可控；通过衬底修饰和界面应力工程来操纵磁性纳米结构的磁各向异性；利用超快磁光效应及超快克尔显微镜，研究超快磁化动力学过程; 解决磁性纳米结构磁各向异性及其对称性分布对超快自旋动力学影响的探测方法的关键科学和技术难题，实现超短脉冲激光对磁性的调控，为下一代量子磁存储介质提供依据，阐明信息存取的速度极限基础科学问题。

磁性纳米结构向尺寸更小、磁化强度随外场响应更快的发展趋势，迫切需要在更小空间尺度和时间尺度上对磁化翻转以及频率的响应等动力学过程进行研究。探索磁化强度随外加交变场响应的速度极限是超高密度磁存储与高频自旋电子实际应用和现代磁学基础研究中至关重要的课题之一。磁各向异性不但是低维体系产生铁磁有序的最主要来源，也是磁性材料至关重要的参数之一，对超快自旋动力学的有非常重要的影响。本项目的研究目标是通过制备工艺的改善获得尺寸和空间分布均匀的磁性纳米点、纳米线阵列和异质结构薄膜，实现结构有序可控；通过衬底修饰和界面应力工程来操纵磁性纳米结构的磁各向异性；利用超快磁光效应及超快克尔显微镜，研究超快磁化动力学过程; 解决磁性纳米结构磁各向异性及其对称性分布对超快自旋动力学影响的探测方法的关键科学和技术难题，实现超短脉冲激光对磁性的调控，为下一代量子磁存储介质提供依据，阐明信息存取的速度极限基础科学问题，达到了预期的目标。. 主要研究内容包括：.（1）利用时间分辨磁光Kerr效应实现了Fe/MgO(001)的非线性自旋动力学的超快探测，实验表明全光学的泵浦-探测工艺可以用来超灵敏探测磁性薄膜的非线性自旋动力学行为，为磁性薄膜在高频方面的应用提供一种新的激发和探测方法。.（2）低场下基于各向异性磁电阻研究了Fe/Si(001)薄膜的磁各向异性，通过计算转矩曲线在磁晶各向异性易轴附近的斜率来得到磁各向异性，进一步拓展转矩法的应用范围。.（3）利用时间分辨的磁光克尔效应同时获得超快退磁时间和阻尼因子的大小，通过调节Co/Ni双层膜Ni层的厚度，从实验上建立起超快退磁时间与內禀阻尼因子的正比关系。利用呼吸型费米面理论模型，解释了正比关系的机理并确认了自旋混合参数的增强与Co/Ni界面的自旋-轨道耦合密切相关。. 研究结果已在国际著名杂志上发表论文16 篇，国际会议邀请报告 7人次，国内会议特邀报告3人次，组织国际学术会议1次，国内学术会议3次，培养博士后1人，博士生4人。