杨东侠，刘安平，韩 忠，何光宏，席 明，张昊一，倪曙煜

(重庆大学 物理学院,重庆401331)

基于微波铁磁共振的YIG铁氧体晶体材料探究实验

杨东侠，刘安平，韩 忠，何光宏，席 明，张昊一，倪曙煜

(重庆大学 物理学院,重庆401331)

在超高频微波场中测量了YIG晶体的共振谱线，并计算多晶样品的g因子、旋磁比、共振线宽、弛豫时间以及单晶样品的g因子. 实验结果表明：YIG样品的磁场强度H与励磁电压U成正比关系，励磁电流I与功率P之间成线性关系,并通过电压U与电流I的关系得到H与I的关系，即U∝H∽I∝P.

微波铁磁共振；电子自旋；YIG晶体；共振谱线

铁磁共振与电子自旋、核磁共振等是研究物质微观结构的有效手段[1]. 早在1935年栗弗席兹等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性，10年后由于超高频技术发展起来，1947年又观察到多晶铁氧体的铁磁共振现象. 接着波尔德和候根在深入研究铁磁体的共振吸收和旋磁性的基础上，发明了铁氧体的微波线性器件，从而引起了微波技术的重大变革[2]. 目前YIG单晶/多晶铁氧体材料与器件已广泛地使用在雷达、通信、电视、人造卫星、导弹系统、电子对抗系统及高能粒子加速器等民用和军事应用各个方面[3]，我国已生产出膜厚320 μm,ΔH=0.04 kA/m的YIG单晶超厚膜材料[4]，以及YIG梳谱式阻带可变滤波器、 多路幅相一致带阻滤波器和开关滤波器，不仅拓展了YIG调谐滤波器的功能，而且改善了YIG器件扫速等固有的缺陷，为YIG调谐带阻滤波器更为广泛的应用找到了新的思路和方向[5]. 我校物理实验中心在近代物理实验室开展探究式实验教学，组织学生自主选题，设计并开展实验. 通过实验阐述YIG单晶铁氧体材料的性质，测量g因子、旋磁比γ、共振线宽ΔH以及弛豫时间τ[6].

1 实 验

1.1 实验设备与材料

实验装置包括微波源、隔离器、直波导、频率计、环行器、隔离器、检波器、双T匹配器、扭波导、谐振腔、短路活塞，通过调节电压、电流、短路活塞以及频率计进行测量实验.

实验分别选取单晶以及多晶钇铁石榴石(YIG)作为实验样品，此次实验中将YIG置于样品管内，测试使用时将样品管插入谐振腔中.

1.2 实验原理和测量方法

1.2.1 测量微波波导波长λg以及谐振频率f0

截面为a×b、均匀且无限长的矩形波导如图1所示，管壁为理想导体，管内充以电容率为ε、磁导率为μ的介质，则沿z方向传播的TE10波的各分量为

(1)

(2)

(3)

Ex=Ez=Hy=0,

(4)

(5)

λg称为波导波长，λc=2a为截止或临界波长(对微波电子自旋共振实验系统中a=22.86 mm，b=10.16 mm)，λ=c/f，f为腔的谐振频率(可以记为f0)[2].

图1 矩形波导管

实验需选用YIG单晶样品，先将样品放入仪器中，接通示波器和磁铁扫描电源，通过直接调节电流和电压来选定需要的磁场强度，可获得均匀的共振信号，在此基础上调节短路活塞发现共振信号的变化，记录其中共振信号最大的3个点读数，依据原理公式计算得出波导波长和谐振频率.

1.2.2 YIG单晶各向异性k1和g因子测量

铁磁性及亚铁磁性的单晶体是各向异性的，即共振时外加直流磁场H的大小随晶体的取向而改变，实验样品为YIG单晶小球，属于立方晶系(见图2)，忽略形状各向异性，H在(110)晶面内与[001]轴夹角为θ(见图3),则有

(6)

(7)

图2 YIG单晶结构及(110)晶面

图3 (110)晶面内各晶轴及H的取向

1)H∥[001]轴时

(8)

2)H∥[111]轴

(9)

取ω=ω0(相应的共振磁场表示为H0),联立式(7)～(9)求解得

(10)

(11)

放置YIG单晶于实验装置中，选定磁场，以5°为单位旋转样品72次，完成360°下共振磁场的测量，记录并绘表可得参量特性.

1.2.3 测量磁场强度与励磁电源电压的关系

实验中不需要使用YIG样品. 以霍尔效应为理论基础，将高斯探头垂直插入谐振腔中心，旋转，同时调节励磁电流，可以得到最大读数，通过记录最大读数和对应的电压，将多组数据以图表形式呈现，可观察到磁场强度和励磁电源电压的正比关系.

1.2.4 描点法直接测量YIG多晶样品的共振曲线，并计算g因子和旋磁比γ

实验中需放入YIG多晶样品，为获得所求参量，需调节好固定的微波频率，实验所使用的器材已设置好此频率，故只需接通检波器，由小到大改变励磁电压，记录微电流计突然变小的最小数值以及此时的电压值，计算并绘图得到共振曲线、g因子和旋磁比γ.

1.2.5 铁磁共振线宽ΔH的测量

YIG单晶小球放置在短路波导中，靠近短路壁波导断面正中心(微波磁场最大位置)[7]，当其发生铁磁共振时，可以把YIG单晶小球等效为和传输线耦合的铁磁谐振器，则其共振线宽ΔH为

(12)

使用半功率法可以准确得到共振线宽ΔH的数值. 具体方法为描点得到的YIG共振曲线，在其中寻找所需的半功率点，在此前提下得出ΔH值.

2 实验结果与分析

图4 磁场强度与角度的关系

对于实验1.2.3，根据实验数据作图如图5所示. 拟合得到H=30.0U+3 188.3，r=0.993 7. 从而可得到H与U成线性关系.

图5 磁场强度与激励电源电压的关系

图6 YIG多晶共振曲线

根据实验1.2.3可以得到I与H的关系曲线，有突变性质,又因为检波晶体管的检波电流i∝P[8],故可以得到YIG单晶样品的磁场强度H与励磁电压U成正比关系，励磁电流I与功率P之间成线性关系,并且可通过电压U与电流I的关系得到H与I的关系,即U∝H∽I∝P.

3 结论与讨论

学生实验测得在超高频微波场中磁损耗比其他任何品种的多晶、单晶铁氧体低1到几个数量级的YIG单晶、多晶的共振谱线，并计算多晶样品的g因子、旋磁比γ、共振线宽ΔH以及弛豫时间τ以及单晶样品的g因子. 实验结果：YIG晶体样品的磁场强度H与励磁电压U成正比，励磁电流I与功率P之间成线性,并通过电压U与电流I的关系得到H与I的关系，即U∝H∽I∝P. 通过探究式实验教学，加深了学生运用微波铁磁共振实验研究微观物质结构及其潜在应用价值的理解，锻炼了学生实验研究与创新能力.

[1] 高铁军，孟祥省，王书运. 近代物理实验[M]. 北京：科学出版，2009:179-180.

[2] 重庆大学物理实验教学中心. 近代物理实验结课论文[EB/OL]. http://www.docin.com/p-1005650713.html. 2014.

[3] 郑振中. 微波铁氧体材料的最新研究[J]. 中国陶瓷，2010，46(9):6-7.

[4] 余声明. 我国微波YIG铁氧体技术的发展[C]// 中国稀土学会第十届全国磁学和磁性材料会议论文集. 北京，1999：433-434.

[5] 何卫 国，全海江，陈劲松. YIG调谐带阻滤波器的新应用[J]. 磁性材料及器，2007(6):29-33,44.

[6] 张有霆. 钇铁石榴石单晶薄膜在高功率下铁磁共振饱和现象和折叠效应[J]. 应用科学学报, 1989,7(2):95-100.

[7] 王魁香. YIG单晶体磁共振(FMR)[J]. 物理实验，1987，7(3)：101-104.

[8] Fan W J, Qiu X P, Shi Z, et al. Correlation between isotropic ferromagnetic resonance field shift and rotatable anisotropy in polycrystalline NiFe/FeMn bilayers [J]. Thin Solid Films, 2010,518(8):2175-2178.

[责任编辑：任德香]

Study on YIG ferrite crystal materials based on microwave ferromagnetic resonance

YANG Dong-xia, LIU An-ping, HAN Zhong, HE Guang-hong,XI Ming， ZHANG Hao-yi， NI Shu-yu

(College of Physics, Chongqing University, Chongqing 401331, China)

The resonance spectra of YIG crystals were measurend in microwave magnetic field with ultra-high frequency, and some parameters were calculated, such as factorgof single crystal and polycrystal, gyromagnetic ratio, resonance line width, and relaxation time. The experimental results showed that a direct ratio relation laid between exciting voltageUand the magnetic field intensityHof YIG crystal. Meanwhile the exciting currentIhad a linear relation with powerP, and the relation betweenHandIcould be deduced by the relation betweenUandI(U∝H∽I∝P).

ferromagnetic resonance; electron spin; YIG single crystal; resonance spectral line

2016-04-20；修改日期：2016-09-19

重庆大学教改项目(No.2014Y30)

杨东侠(1990-)，男，重庆人，重庆大学物理学院2014级硕士研究生，研究方向为凝聚态物理.

刘安平(1979-)，男，重庆人，重庆大学物理学院副教授，博士，从事近代物理实验教学.

TN61

A

1005-4642(2016)12-0001-04

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文