磁性材料的磁结构-磁畴结构和拓扑磁结构-张志东.pdf

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 6 (2015) 067503 综 述 磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构 张志东 (中国科学院金属研究所, 沈阳材料科学国家(联合) 实验室, 沈阳 110016) ( 2015 年1 月26 日收到; 2015 年2 月11 日收到修改稿) 首先简要地介绍了磁性材料中磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构以及相互之间的关系. 一方面, 磁畴结构 由材料的磁结构、内禀磁性和微结构因素决定; 另一方面, 磁畴结构决定了材料磁化和退磁化过程以及技术磁 性. 拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密. 最近的研究兴趣集中在一些拓扑磁性组态, 如涡旋、磁 泡、麦纫、斯格米子等. 研究发现这些拓扑磁结构的拓扑性质与磁性能密切相关. 然后从尺寸效应、缺陷、晶界 三个方面介绍国际学术界在磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构方面的进展. 最后介绍了在稀土永磁薄膜材料的 微观结构、磁畴结构和磁性能关系、交换耦合纳米盘中的拓扑磁结构及其动力学行为方面的工作. 通过对文献 的评述, 得到以下结论: 开展各向异性纳米复合稀土永磁材料的研究对更好地利用稀土资源具有重要的意义. 可以有目的地改变材料的微结构, 可控地进行磁性材料的磁畴工程, 最终获得优秀的磁性能. 拓扑学的概念 正在应用于越来越多的学科领域, 在越来越多的材料中发现拓扑学的贡献. 研究磁畴结构、拓扑磁性基态或者 激发态的形成规律以及动力学行为对理解量子拓扑相变以及其他与拓扑相关的物理效应是十分重要的. 也会 帮助理解不同拓扑学态之间相互作用的物理机制及其与磁性能之间的关系, 同时拓展拓扑学在新型磁性材料 中的应用. 关键词: 磁结构, 磁畴结构, 拓扑磁结构, 磁性能 PACS: 75.60.Ch, 75.70.–i, 75.70.Kw, 75.78.Fg DOI: 10.7498/aps.64.067503 的磁性与不同的晶体结构可以组合成丰富多彩的 1 引 言 磁结构. 另一方面, 技术磁性能包括剩余磁化强度、 矫顽力、最大磁能积、温度系数等. 这些技术磁性能 磁性材料(包括永磁、软磁、磁致伸缩、磁记录 不但由材料的内禀磁性控制, 还与材料的微观结构 等) 在许多领域有广泛的应用. 提高各类磁性材料 密切相关. 实际上, 材料的尺寸、形状, 晶粒大小、 的性能一直是广大科技工作者努力的目标. 众所周 晶界、缺陷以及第二相等均会影响材料的磁性能. 知, 磁性材料的磁性分内禀磁性和技术磁性能. 内 20 世纪一系列突破性的科学成果(特别是量子 禀磁性包括居里温度、饱和磁化强度、磁晶各向异 力学的创立) 促进了人们对自然的认识, 也促进了 性等, 分别对应于磁性相互作用、自旋磁矩、晶体场 人们对磁性起源的理解. 对自发磁化的量子力学理 等内禀性质, 主要由材料的晶体结构、磁结构、成分 解和磁畴结构的发现被公认为20 世纪磁学领域的 等决定. 磁结构与材料的晶体结构密切相关, 其对 两大重要进展. 量子力学的理论研究将人们对微 称性可以与晶体结构相同, 但绝大多数情况下磁有 观磁性(包括电子自旋、各类交换作用等) 的认识提 序会附加新的磁对称性. 磁结构由晶体结构以及磁 高到一个非常高的高度. 但是, 磁畴结构非常复杂, 性相互作用、自旋磁矩共同决定. 铁磁性、反铁磁 不但由材料的内禀磁性控制, 还受到微观结构和缺 性、亚铁磁性、螺旋磁性、自旋玻璃、顺磁性等不同 陷等因素的影响. 尽管人们对磁畴结构已经有许多 国家自然科学基金(