一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法及系统，包括：获取待测量磁性样品的静态同步辐射XMCD信号以及在特定频率下铁磁共振的信息；将从加速器中心主微波源接出的高频微波信号进行脉冲同频(与同步辐射X光脉冲信号同频)、相位延迟、低频调制、功率增益和微波倍频处理之后输入平面波导激发样品产生铁磁共振；同时，将同步辐射X光穿过波导孔入射到磁性样品上，通过测量高频微波信号相对于X光脉冲不同相位延迟下的磁性样品的光致发光信号，得到动态的自旋进动信号；最后改变探测位置重复之，实现空间分辨。本发明专利技术设计了系统模块的探测方法，利用同步辐射X光脉冲时间结构和小尺寸光斑的优势，实现了时间和空间分辨的GHz自旋进动探测。辨的GHz自旋进动探测。辨的GHz自旋进动探测。

【技术实现步骤摘要】
一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法及系统


[0001]本专利技术涉及物理测量
，特别涉及一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法及系统。

技术介绍

[0002]信息产业是构成和推动人类社会发展的核心要素，现代信息产业的电子器件面临高密度存储、高稳定性、高响应速度和低功耗等难题。其中电子器件的响应速度取决于材料的本征共振频率，磁性材料的本征共振频率通常处于吉赫兹(GHz)波段，因此磁性材料自旋的GHz高频进动探测是个关键问题。常用的探测自旋GHz进动的方法主要包括铁磁共振技术、自旋力矩铁磁共振技术等，利用GHz高频微波激发铁磁性样品产生共振，通过测量样品整体的微波吸收或者电压信号来提取自旋进动角的相对幅值大小，而无法获取自旋进动的相位信息，也无法对样品每一部分局域的自旋进动给出相关信息，即无法实现时间和空间分辨的GHz自旋进动探测。
[0003]随着近年来对自旋轨道力矩器件的研究以及磁性材料种类的丰富，越来越需要探测时间分辨的自旋进动的相位信息，明确样品不同区域的自旋进动区别，因此亟需发展一种时间分辨和空间分辨的GHz自旋进动探测方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的克服现有技术存在的不足，为实现以上目的，采用一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法及系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法，所述探测方法的具体步骤包括:
[0006]步骤S1、获取待测量磁性样品，探测磁性样品静态的同步辐射X射线磁圆二色信号以及在特定频率下的铁磁共振的共振磁场、线宽、共振强度等信息；
[0007]步骤S2、将获取的同步辐射X光脉信号和加速器中心主微波源接出的高频微波时钟信号进行脉冲同频，再对高频微波信号进行相位延迟、低频调制、功率增益和倍频处理，输入平面共振波导激发磁性样品产生铁磁共振，针对0.5GHz的加速器主微波源和脉宽为40ps的X光脉冲信号，该步骤可实现频率0.5
‑
8GHz、功率超过25dbm、相位延迟精度<1ps的高频微波信号；
[0008]步骤S3、同时，再基于集成GHz微波激发与X光探测的GHz高频自旋进动探测的装置将X光穿过波导中心线处的凿孔入射到磁性样品上，设定X光为圆偏光以及X光能量在X射线磁圆二色信号的最大值处，并且磁场范围处于磁性样品共振场附近，通过测量高频微波信号相对于X光脉冲不同相位延迟下的磁性样品的光致发光信号，得到动态的磁性样品自旋进动的信号；
[0009]步骤S4、最后通过设定自旋进动探测装置对磁性样品不同位置处进行探测，得到最终探测结果。
[0010]作为本专利技术的进一步的方案：所述步骤S2的具体步骤包括：
[0011]将获取的同步辐射X光脉信号和加速器中心主微波源接出的高频微波时钟信号进行脉冲同频，将高频微波时钟信号进行相位延迟调制，接下来把该列高频微波信号处理为两列相位相反的同频微波，并利用波形发生器对其进行低频调制使两列微波交替输出，接下来对微波功率进行增益、微波频率倍频处理，最终高频微波输送至波导激发磁性样品产生GHz自旋进动，同时利用圆偏振极化的X光脉冲去探测自旋进动的瞬时信号，该过程利用锁相放大器提取与高频微波低频调制相同频率的光电二极管采集到的样品信号，得到动态的磁性样品自旋进动的信号。高频微波的相位延迟调制、低频调制、功率增益和倍频等过程通过信号监测系统来监测。
[0012]作为本专利技术的进一步的方案：所述步骤S3的具体步骤包括：
[0013]设计集成GHz微波激发与X光探测的GHz高频自旋进动探测的装置，采用一个能够传输高频GHz微波的平面共振波导，其中波导中心线处凿一个椭圆形的长孔，将X光穿过波导中心线处凿孔入射到磁性样品上，并采集磁性样品后方放置的光电二极管采集样品的透射信号或者发光衬底产生得到的光致发光信号。设定X光为圆偏光以及X光能量在X射线磁圆二色信号的最大值处，并且磁场范围处于磁性样品共振场附近，通过测量高频微波信号相对于X光脉冲不同相位延迟下的磁性样品的光致发光信号，得到动态的磁性样品自旋进动的信号。
[0014]作为本专利技术的进一步的方案：所述步骤S4的具体步骤包括：
[0015]通过设定自旋进动探测装置将X光打在磁性样品和相应波导中心线椭圆形长孔的不同位置处进行空间分辨的GHz自旋进动探测，得到最终探测结果。
[0016]其中本专利技术的具体技术方案如下：一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测系统，采用如上述任一项所述的一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法，系统包括相位调制系统、小信号调制系统、功率放大系统、信号监测系统，以及自旋进动探测装置；
[0017]所述相位调制系统用于提取加速器高频微波时钟信号，并进行相位延迟调制输出相同频率、相位可调的高频微波信号；
[0018]所述小信号调制系统用于对得到的高频微波信号进行微波低频调制处理；
[0019]所述功率放大系统用于对微波低频调制处理后的信号通过梳波、滤波、放大，以及定向耦合处理进行倍频和功率增益；
[0020]所述信号监测系统用于对定向耦合后的信号进行吸收功率监测，以及频率、相位和幅度信息监测；
[0021]所述自旋进动探测装置用于对X光入射至不同位置的样品处时，同时满足高频微波激发和光致发光信号探测的条件下，进行空间分辨的GHz自旋进动探测。
[0022]作为本专利技术的进一步的方案：所述相位调制系统包括相位调制器，及用于发出高频时钟信号输出相位可调的同频微波信号的加速器。
[0023]作为本专利技术的进一步的方案：所述小信号调制系统包括微波功率分离器、相位延迟器、功率合成器、波形发生器、锁相放大器，以及前置电流放大器。
[0024]作为本专利技术的进一步的方案：所述功率放大系统依次包括可调衰减器、第一放大器、梳波器、滤波器、第二放大器，以及定向耦合器。
[0025]作为本专利技术的进一步的方案：所述信号监测系统包括射频功率计，以及高频示波器。
[0026]作为本专利技术的进一步的方案：所述自旋进动探测装置包括平面共振波导，以及光电二极管，且所述平面共振波导开设有锥形孔。
[0027]与现有技术相比，本专利技术存在以下技术效果：
[0028]采用上述的技术方案，通过利用同步辐射X光脉冲序列结构的优势，实现时间分辨的GHz自旋进动探测，时间分辨的精度取决于束流强度、储存环电子束团的注入模式、X光脉冲的宽度及其抖动大小、X光脉冲间隔的抖动大小等因素，针对0.5GHz的加速器主微波源和脉宽为40ps的X光脉冲信号，本技术方案可达到5ps的相位时间分辨精度，最高可测量自旋进动频率达到8GHz；
[0029]利用同步辐射光源光斑尺寸小的优势，实现空间分辨的GHz自旋进动探测，这里空间分辨的精度取决于X光斑的尺寸、样品架和测量腔体的稳定性等因素，针对3μm
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3μm的光斑和1μm的腔体振动幅度，本技术方案可达到低于5μm的空间分辨精度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法，其特征在于，所述探测方法的具体步骤包括:步骤S1、获取待测量磁性样品，探测磁性样品静态的同步辐射X射线磁圆二色信号以及在特定频率下的铁磁共振的共振磁场、线宽、共振强度等信息；步骤S2、将获取的同步辐射X光脉信号和加速器中心主微波源接出的高频微波时钟信号进行脉冲同频，再对高频微波信号进行相位延迟、低频调制、功率增益和倍频处理，输入平面共振波导激发磁性样品产生铁磁共振；步骤S3、同时，再基于集成GHz微波激发与X光探测的GHz高频自旋进动探测的装置将X光穿过波导中心线处的凿孔入射到磁性样品上，设定X光为圆偏光以及X光能量在X射线磁圆二色信号的最大值处，并且磁场范围处于磁性样品共振场附近，通过测量高频微波信号相对于X光脉冲不同相位延迟下的磁性样品的光致发光信号，得到动态的磁性样品自旋进动的信号；步骤S4、最后通过设定自旋进动探测装置对磁性样品不同位置处进行探测，得到最终探测结果。2.根据权利要求1所述一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤包括：将获取的同步辐射X光脉信号和加速器中心主微波源接出的高频微波时钟信号进行脉冲同频，将高频微波时钟信号进行相位延迟调制，接下来把该列高频微波信号处理为两列相位相反的同频微波，并利用波形发生器对其进行低频调制使两列微波交替输出，接下来对微波功率进行增益、微波频率倍频处理，最终高频微波输送至波导激发磁性样品产生GHz自旋进动，同时利用圆偏振极化的X光脉冲去探测自旋进动的瞬时信号，该过程利用锁相放大器提取与高频微波低频调制相同频率的光电二极管采集到的样品信号，得到动态的磁性样品自旋进动的信号。高频微波的相位延迟调制、低频调制、功率增益和倍频等过程通过信号监测系统来监测。3.根据权利要求1所述一种时间和空间分辨的GHz自旋进动探测方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤包括：设计集成GHz微波激发与X光探测的GHz高频自旋进动探测的装置，采用一个能够传输高频GHz微波的平面共振波导，其中波导中心线处凿一个椭圆形的长孔，将X光穿过波导中心线处凿孔入射到磁性样品上，并采集磁性样品后方放置的光电二极管采集样品的透射信号或者发光衬底产生得到的光致发光信号。设定X光为圆偏光以及X光能量在X射线磁圆二色信号的最大值处...

【专利技术属性】
技术研发人员：李倩，王思宇，袁亚楠，刘大象，裴方方，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：