[发明专利]快速获取材料超快退磁大小与分布的方法

说明书

技术领域

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

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。 

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。 

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。 

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

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。 

本发明的快速获取材料超快退磁大小与分布的方法， 

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。 

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 

其中△E表示能量差， 表示激光光子能， 表示能量窗口。 

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： 

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。 

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：