磁涡旋态

具有磁祸旋畴结构的纳米颗粒所呈现的结构状态。磁涡旋态(magneticvortex)是一种基本的磁结构。

定义磁涡旋态(magneticvortex)是一种基本的磁结构，该结构可以在微米或纳米级尺寸的铁磁薄膜单元器件中形成磁涡旋态的中心位置存在一直径约为10nm的涡核区域，该区域中心处磁矩垂直膜面向上(p=1)或向下(p=−1)，通过涡核极性p(polarity)的取值来表征;涡核区域之外的磁矩倒向面内围绕涡核顺时针(C=−1)或逆时针(C=1)方向卷曲，通过手征特性C(chiral-ity)的取值来表征。与磁矩均匀分布的单畴结构相比，磁涡旋结构可以展示较为丰富的自旋波激发频谱。频谱对应的自旋波模式可包括低频旋转回归模式、高频类放射状模式、类方位角模式等自旋波的激发模式可通过实验手段进行探测，常用的实验技术包括：布里渊光散射、时域的克尔效应，X射线技术等。此外，微磁模拟技术也是研究磁性薄膜中自旋波激发的一种重要手段。在实验受限的情形下，微磁模拟技术有助于揭示磁性材料局域磁矩的静态分布及其动力学演化过程，已成为设计与研发磁性材料器件的必备工具1。

观察方法利用扫描透射X射线显微镜观测磁涡旋结构。磁性材料在费米面附近自旋向上和向下的电子态密度不同，受跃迁选择定则的限制，对左旋和右旋偏振的X射线吸收强度不同，即磁圆二色效应该效应的强弱与受测点磁矩在X射线传播方向的投影成正比。因此，对样品上的每一点，分别探测它对左旋光和右旋光的吸收强度，即可获得该点的磁。扫描透射X射线显微镜的空间分辨率受波带片的限制，约为30nm。X射线经由变包含角平面光栅单色器单色化后，通过狭缝，然后由波带片聚焦，通过级选光阑后照射到样品上。经样品透射后的X射线强度由探测器进行测量;电机控制样品在焦平面上进行二维平移，对样品进行逐点成像。样品面(红色平面)与焦平面(蓝色平面)夹角为20◦，样品上各点的磁矩在X射线传播方向的投影为sin20◦原则上，夹角越大，磁矩的面内分量信号更清晰，通过改变X射线的偏振方向，分别用右旋光和左旋光对样品进行扫描透射成像，从两次得到的透射显微图像中去除样品形貌信息，得到样品的磁学显微图像2。

应用生物医用滋巧旋态Fe3O4纳米搞球颗粒磁性纳米颗粒是指W铁磁性、亚铁磁性材料为基础制备合成的、空间H维尺寸中至少有一维处在0-100nm之间的磁性晶粒。常见的有金属Fe，Co，Ni及舆合金，铁氧化物，铁氧体等颗粒和块状的磁性材料不同，处在纳米尺度的磁性颗粒由于纳米尺寸和表面效应，使得其具有许多的新奇的特性，比如：具有较大的比表面积、磁学性质的尺寸形状依赖性、表面易功能化修饰及具有多样化的磁拓扑结构等。通过把磁性纳米颗粒这些恃有的物理化学性能应用到生物学和医学相关的领域中，范向载药及药物磁控释放、生物细胞和蛋白的磁性分离与检测磁共振成像抗肿瘤磁热治疗等生物医学领域，使得磁性纳米颗粒在这些领域展现出了显著的应用前景和价值，成为研究人员关注的焦点之一3。

癌症是我们生命健康的最大威胁之一，虽然当前治疗癌症的方法很多，比如：通过直接实施手术切除，通过放射线疗法或常规药物治疗等，然而这些方法都存在自身的局限性。近年来，借助磁性纳米颗粒的磁热性能兴起的磁靴向热疗方法在抗肿瘤治疗领域开始崭露头角，并引起越来越多的关注。肿瘤细胞，相比于人体组织中的正常细胞，有一个很大的缺点，即：对周围组织环境的温度变化具有非常强的敏感性。通常，当肿瘤病变组织周围的温度处在43~45摄氏度范围时，肿瘤细胞便会出现大量调的现象。而在动态交变磁场的作用下，磁性纳米颗粒的磁热性能，正好迎合了肿瘤细胞的这一缺陷，这为其在抗肿瘤磁热领域的应用创造了一个契机。作为产热媒介，在动态磁化过程中，磁性纳米颗粒会受到各种能量损耗的影响，比如：由于磁滞引起的能量损耗、由于畴壁的共振及锅流的形成所导致的能量损耗等等，进而导致撼性纳米颗粒将外加磁场提供的能量吸收，并将其热能的形式在肿瘤病变部位释放，导致肿瘤病变部位相比其他位置较为快速的形成局部温度较高的高温区，从而迅速破坏肿瘤细胞的结构，最终使其因温度过高而出现大量地调亡。如果同时在纳米颗粒的表面加载相应的一些抗癌药物，通过双管齐下的方式，还能使肿瘤病变组织实现由磁祀向药物治疗和磁热疗带来的双重治疗效果3。

软磁Ni80Fe20薄膜单元中的磁涡旋态在多晶软磁材料(如Co,Ni,Fe或Ni80Fe20)的圆盘形、三角形、正方形等旋转对称性强的薄膜单元中,通常会形成一种奇特的磁畴结构———磁涡旋(magnetic vortex)结构(也称为超磁畴结构)。在这些薄膜单元中,磁化强度趋向于沿着薄膜面内成涡旋状闭合排列，而在围绕薄膜单元中心很小的范围内,磁化强度会沿面外取向,即涡旋核(vortex core)。磁涡旋结构通常可用两个布尔数学参数来描述,即手征性和核的极性。手征性由磁矩沿着涡旋核旋转的方向来定义,或顺时针旋转,或逆时针旋转。核的极性由涡旋核中心磁化强度的取向来确定,或指向涡旋面外，或指向涡旋面内。根据手征性和极性的排列组合,一个磁涡旋结构可能具有4种不同的剩磁态。如果将它作为未来的磁信息存储单元，那么一个磁涡旋结构就可同时存储两个比特信息，因此，它很有潜力成为下一代磁随机存储器(MRAM)的基本单元4。

通过高分辨MFM的研究,在由模板偏移而形成的“花生形”Ni80Fe20薄膜单元中能清晰地看到涡旋核的存在。由于两种不同极性的磁涡旋核在能量上的等价性,在样品的剩磁态可同时观察到两种不同取向的磁涡旋结构。经过磁涡旋核的轮廓线表明,高分辨MFM直接测量的磁涡旋核宽度仅为40 nm左右4。

椭圆纳米盘中的磁涡旋态磁涡旋结构的激发模式受样品几何形状对称性、应用场激发方式以及磁涡旋之间的偶极相互作用的影响较大。由于理论解析的困难，除了对称性较高的圆形结构，其他构型下有磁涡旋激发模式的理论仍不够完善。迄今为止，大部分的研究都集中在受限于圆形或方形薄膜样品中的单个磁涡旋与具有圆柱形对称的圆形样品相比，方形样品中的磁涡旋具有四重对称性，对称性的降低导致激发模式的不同，例如，放射状模式可被离散为三角形模式。为了理解降低的对称性对自旋波激发模式的影响，借助于与傅里叶分析方法相结合的微磁模拟技术，选择具有两重对称性的铁磁薄膜椭圆盘样品作为研究对象。具有亚微米尺寸的铁磁薄膜椭圆盘样品中可生成单个磁涡旋或磁涡旋对结构。基于该类型的样品，已研究了二维情形下磁涡旋对之间的偶极相互作用对磁涡旋激发模式的影响以及三维情形下样品厚度对单个磁涡旋激发模式的影响本文主要介绍二维情形下单个磁涡旋方位角自旋波激发模式的物理机理。研究结果将会进一步促进磁涡旋激发模式理论的完善与发展1。

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学