成像与mapping在微纳米磁学中的应用

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成像与mapping在微纳米磁学中的应用

成像在微纳米磁学中的作用

固体中的磁性是通过邻近原子的电子之间的量子力学交换在局部尺度上产生的。在铁磁体中，交换有利于平行电子自旋，空间磁性结构可以从非常简单到非常复杂。除了特殊的样品形状外，均匀磁化在与偶极子之间的远程相互作用相关的能量方面具有静磁成本。如果偶极子不完全平行，则能量可以zui小化，从而形成磁畴。各向异性效应有利于磁化取向沿着某些晶体学方向进一步复杂化的情况。这种竞争的本质可以用所谓的“交换长度”来概括，交换长度决定了磁化方向发生重要变化的zui小尺度，通常在纳米范围内。在非平衡状态下，过剩能量的存在会导致额外的复杂性，包括成核和区域的生长，自旋波激发在非常短波长的传播，以及类似鼓面振动的静磁模式的产生。这种物理学中zui成功的模型是经典的(把小体积的材料当作大磁矩)和现象学的:它是手工构建的，遵循合理的指导原则，比如保留大磁矩的大小，只允许它们的方向改变。直到现在，才有工具可以完全测试这种描述，以对抗即使在微观标本中也可能发生的复杂行为，并指出改进的方向。对这些问题进行完全的量子力学处理仍然是棘手的，但现在可以进行足够详细和可控的实验，有些人可能会把它们视为“模拟计算”。从应用的角度来看，为了实现Tbit/in2面密度和Gbit/s数据速率及以上的磁记录目标，以及大规模集成磁逻辑、磁随机存取存储器和自旋电子学，需要应用于材料分析和器件表征的高性能显微镜。

测绘样品磁化强度

在物理学中，人们通常更愿意知道样品内部的实际磁化结构，而不是样品周围杂散场的分布，尽管在某些情况下(如传统的磁记录应用)，知道磁场是非常重要的。实验没有提供足够的信息来计算其中的一个。根据对该领域的了解，即使在一个合理的体积上精确地绘制，反演来推断磁化剖面也不是wei一的。

许多高分辨率磁成像技术测量的量与局部样品磁化成正比.这些包括电子、光子或中子束与样品的相互作用，或原子与尖笔状探针的相互作用。电磁辐射与磁化体的微妙相互作用已经在磁光成像中得到了很好的利用，这成为20世纪观察磁性微观结构的主要方法。

在磁光学中，光的偏振面在反射(克尔效应)或透射(法拉第效应)时的小旋转被用来映射磁化。磁光记录是基于相同的效果。这种方法允许在测量过程中施加外部磁场而不影响探针，如果要研究磁化动力学，这是一个明显的优势。磁光技术的空间分辨率受衍射限制，但研究人员经常低估光学显微镜的能力:分辨率几乎可以比波长小一个数量级。在比较不同的显微技术时，应该记住，有用的空间分辨率是由信噪比以及光斑大小或相互作用长度决定的。定量的、“与平台无关”的表征手段可以从作为空间频率函数的信噪谱中获得(例如，在具有相对平坦分布的特征作为空间频率函数的测试样品上测量)。然后，分辨率可以简单地定义为信噪比跨越单位的频率(因此反比为波长或空间尺度)。然而，如果希望将光学的横向分辨率扩展到纳米尺度，那么在某种程度上，交叉到近场扫描技术是必不可少的。事实证明，这对磁成像来说是相当具有挑战性的。

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