飞秒磁光克尔显微镜

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飞秒磁光克尔显微镜

磁介质中记录和读取过程的改进需要从两个重要方面进行探索。一方面，希望获得高达1万亿比特/英寸的大记录密度。另一方面，每个单独存储元件的响应和访问时间应在10 GHz范围内执行。这样的空间和时间特征需要有效的诊断来测量具有高空间分辨率的磁化动力学。在时间方面，用飞秒光脉冲进行磁光学似乎是研究铁磁材料的超快退磁、磁化进动和磁化切换等物理过程的理想方法。zui终，zui短的可测量事件是由激光脉冲决定的。例如，使用来自钛:蓝宝石振荡器的20 fs脉冲，已经证明退磁过程发生在电子的热化时间内，即在CoPt3铁磁薄膜的情况下，60 fs在空间方面，根据所需的分辨率，使用了各种方法，包括扫描电子显微镜与极化分析，磁力显微镜，光电电子显微镜，和扫描近场磁光克尔显微镜。因此理想情况下，可以结合时间和空间分辨率来研究单个纳米结构的磁化动力学。

图1

飞秒时间分辨光学克尔显微镜如图1所示。泵浦和探针激光脉冲由钛蓝宝石再生放大器获得，以5 KHz的重复率工作，以避免累积热效应。持续时间为150 fs(泵)和180 fs(探头)。泵浦光束中心波长为790 nm，探测光束中心波长为395 nm，在1.5 mm厚的硼酸钡晶体中通过二次谐波产生。两个独立的望远镜允许一个人调整每个光束的模式，以获得对样品的zui佳聚焦。通过光延迟线后，泵浦光束与线偏振的探测光束共线。聚焦是使用一个标准的显微镜物镜与一个数值孔径0.65的40倍物镜。尝试使用反射物镜来zui小化探测脉冲的群速度色散，然而它恶化了探针束的偏振状态，否则探针束在整个显微镜中保持偏振消光比为0.0005。聚焦光斑的直径分别为300 nm和600 nm。反射的探针光束被分束器收集，聚焦在直径为20 um的针孔上。对于某些示例，这种共聚焦配置可用于消除来自样品衬底的背景散射光。在针孔之后，用一个偏振器来分析探测光束的克尔旋转，该偏振器相对于入射光束的交叉偏振方向的角度为几度(交叉偏振器技术)然后用光电倍增管和锁定检测方案进行检测。垂直于样品平面施加zui大振幅为±4 kOe的可变静态磁场H。样品可以用XY压电扫描台在±40 um的距离上进行扫描，精度为2 nm。CoPt3光盘是由15 nm的Co_xPt_1−x (x=0.25)合金薄膜通过分子束外延生长在沉积在500 um取向蓝宝石(0001)衬底上的12 nm Pt缓冲层上，通过电子光刻制成的圆盘的直径为0.2 ~ 1m，圆盘之间的距离为0.5 ~ 2um。

图2

图2(a)表示时间的变化泵浦激励密度为4 mJ cm⁻²，外加磁场设置为3.5 kOe，使静态磁化达到饱和。插图描绘了超快磁化动力学的详细视图。图2(b)表示类似的曲线，但激发密度为8 mJ cm⁻²。初始退磁发生在泵浦脉冲期间，对应于自旋的激光加热，发生在电子的热化过程中由于探针脉冲持续时间为180秒，这里的热化过程没有得到解决。注意，对于zui大激励密度[图2(b)]，初始退磁完成。然后再磁化发生在两个主要步骤。第1个对应于自旋和晶格之间的平衡。两种强度对应的时间常数分别为2.5和5.2 ps。这种重要的变化可以用电子Ce和自旋Cm比热的温度依赖性来解释。随后发生的再磁化过程对应于晶格的冷却和与基底能量交换相关的自旋。它随激发密度变化不大[图2(a)和图2(b)分别为630和530 ps]。

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