什么是磁电子学与磁光子学？

从磁学中诞生发展的新兴的学科——磁电子学，其诞生时间虽不长，但发展却十分迅速，已经在一些高新技术中初露锋芒，而且其发展前景也是十分广阔的。这门新兴的磁电子学是从一种磁效应——磁电阻效应，在新磁性材料和相关高新技术发展的新条件下发展到巨磁电阻效应时诞生的。在这一磁学发展事实的启发下，使我们不禁想到：如果另一种磁效应——磁光效应也能在新磁性材料和相关高新技术发展的新条件下发展到巨磁光效应，是否也会同样地诞生和发展磁光子学呢？当然这两方面的情况并不是完全相同的。例如，巨磁光效应仅初露端倪，远不及巨磁电阻效应；光子学的发展也远没有达到电子学发展的成熟程度。但是从未来的发展前景看，磁光子学还是很有希望像磁电子学那样发展起来的。因此，我们在这里先对目前的光子学及其与电子学的比较作介绍，再对磁光效应和巨磁光效应加以说明，然后对磁光子学的相关应用及未来的可能发展进行简单的介绍和推测。

什么是光子和光子学？它同电子学相比较有哪些相似之处？又有哪些不同之处？还有哪些特点和优点？

从科学发展史来看，光的波动学说和粒子学说都有其一定的实验根据，进一步的实验和理论表明，在一定的条件下，物质既具有波动性又具有粒子性。从广义上说，光子是一种传递电磁相互作用、静质量为零的粒子，是光线、光波的负载者。在激光和光物理学出现和发展后，“光子”一词才受到人们的重视和普遍应用，更常用在可见光及其相近的频段。光子学则是研究光子的产生、运动和转化，包括光子的放大、传导、控制、探测，光子与物质的相互作用，以及把光子的技术和规律应用于信息、能源和材料等的一门科学。

假如把光子学与电子学进行比较，就可以看出，两者既有相似之处，又有不同之处。就相似之点来说，例如，它们分别从电学和光学发展出来，电子技术和光子技术又在相同的领域（如通信等）中先后得到相似的应用。就不同之处说，电子具有静质量和电荷，而光子的静质量和电荷都为零，因而光子的抗干扰性好，也不受电磁干扰，传输速度快，不像电子受电阻电容的时间常数限制，光子器件比电子器件的使用频率高、频带宽度宽、容纳信息量大、开关时间短。例如，光通信容量就远远超过电通信，磁光碟的信息密度也高于一般磁盘的信息密度。这些与电子学的不同之处，其中许多都既是光子学的特点，也是光子学的优点。

那么，同磁电子学相比较，磁光子学又是如何呢？

磁电子学是在巨磁电阻效应的基础上发展起来的，而作为磁光子学发展基础的巨磁光效应的情况又如何呢？现在就用已初步观测到的巨磁光效应的法拉第磁光旋转效应和克尔磁光效应来加以介绍。法拉第磁光旋转效应是指线偏振光通过透光（透明）的物质时，如果对这物质加上与光传送方向相平行的外磁场，则线偏振光的偏振方向将产生旋转。旋转角度的大小与磁场的强度和透光物质的磁光性质有关。光的线偏振是指光的电矢量的振动方向不变的现象。克尔磁光旋转效应常称克尔磁光效应，是指线偏振光照射到不透光的物质时，如果对这物质加上外磁场，则其反射光的偏振方向将产生旋转。旋转角度的方向和大小与外加磁场的方向和强度及反射物质的磁光性质有关。这两种磁光效应都已在正投光学中得到应用，如光调制器和光隔离器等。但是在一般磁光材料中，这两种磁光效应都较小，法拉第旋转效应的单位长度旋转角都小于1度/微米，克尔效应的旋转角都小于1度。但是在20世纪90年代以后，观测到少数磁光材料具有更高的磁光效应，例如磁光碟。这里把“光碟”和“磁盘”更加区分开，也是目前相关科技界的看法。

目前各种光碟机已得到多方面应用，其所使用的光记录存储材料的种类是很多的，一般说来，大多数光记录存储材料各有其特点和适用范围。例如，只读式光碟一般都使用光刻胶，因其可以大量而经济地复制；只写一次式光碟则可使用多种光学材料，如铜（Cu）、金（Au）、铬（Cr）、锑（Sb）、铋（Bi）、铟（In）、铑（Rh）等金属薄膜，碲化砷（AsTe）非晶薄膜，有机染料薄膜和银加聚合物的复合薄膜等；可擦式光碟使用的只有磁光材料和非晶半导体两类光学材料。下面仅重点介绍具有可擦式功能的磁光材料。

为了理解可擦式光碟对磁光材料的磁光性能要求，先简要说明磁光碟的录入（写）光信息和重放（读）光信息的原理。这里以录入和重放数字信息“1”和“0”为例。在录入数字信息时，加上极细的强激光束，使写入点局部温度升高，矫顽（磁）力降低，同时由磁光头在写入点加上与所写入数字信息相应方向的较强的写入磁场，使写入点的磁化强度方向转到写入磁场方向。在写入磁场消失或离开写入点后，写入点处的温度降低，矫顽力升高，这样就在写入点处留下所写下的数字信息，即保留与写入数字信息相应的磁化强度方向。如果人们要读出所录下的数字信息，就需要加上使读出激光束变为线偏振光的起偏器和检测从读出点反射或透过（一般采用反射）的线偏振光的检偏器。读出信息时所需要的激光功率低，由线偏振光束在读出点处所引起的磁光效应的变化便可由检偏器辨别出读出点处的磁化强度方向，也就可辨别出读出点处的数字信息是“1”或“0”。

从上述的磁光碟录入和读出磁信息的过程可以看出，为了在写入时使其在不大的温度变化范围内有大的矫顽力变化，就需要采用低居里温度或低磁抵消温度的磁光材料。这是因为在居里温度，铁磁性将转变为弱磁的顺磁性，矫顽力将下降到零；在低磁抵消温度附近，矫顽力会有剧烈的变化，这样都可以在较低的外加磁场下发生磁化强度的转变方向，完成数字信息的写入。为了在读出时得到较高的灵敏度，需要采用高磁光效应的磁光材料。从这两方面的要求看，低居里温度的磁光材料有稀土—过渡金属合金，如Tb—Fe、Tb—Dy—Fe、Gd—Tb—Fe等，其居里温度为70℃～160℃，及铁族合金，如Mn—Ri、Mn—Bi—Cu等，其居里温度为200℃～360℃。低磁抵消温度的磁光材料则有Gd—Co和其他稀土—过渡金属合金，其磁抵消温度为70℃～100℃。这些磁光材料的克尔磁光旋转角均为0.2～0.7度，属于一般磁光效应材料。如果采用新的巨磁光效应材料，可以预料由这种磁光材料制成的磁光碟的性能将会得到显著的改善。

光速不变原理

光速不变原理，是指真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。光速不变原理，在狭义相对论中，指的是无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299792458米/秒。

自旋-电子器件有金属型的自旋网器件和磁隧道二极管，有半导体型的自旋FET和亚微米GaMnAs磁悬臂（有高灵敏度的扭转力矩）等。自旋极化电流的大小可通过改变电子的自旋来加以控制，从而可实现自旋-电子器件。所谓自旋极化电流，也就是其中所有电子自旋的取向都是一致的电流。自旋、质量和电荷都是确定电子特性的基本参数，在外磁场中电子的能量与自旋矢量相对于磁场的取向有关，自旋向上和自旋向下的电子具有不同的能量；在铁磁体中, 很大部分区域内电子的自旋取向都相同, 当电流通过铁磁体时, 一些自旋取向的电子将受到阻碍, 从而可得到自旋极化电流。为了制造自旋-电子器件，就应当首先获得磁性半导体。磁性半导体分为铁磁半导体和稀磁(半磁)半导体(DMS)；铁磁半导体中含有磁元素阵列，稀磁半导体是非磁半导体与磁性物质 (过渡金属或稀土金属) 的合金(1~20%磁离子处在替代位置)。

1等离子体中的原子分子物理过程:原子分子碰撞及分子反应动力学、外场中的原子动力学

2原子分子结构:原子团簇及低维体系性质 原子团簇的研究是目前原子与分子物理学发展的一个前沿课题，而低维体系特别是纳米体系的性质的研究是原子分子物理学与介观物理的交叉领域。纳米材料和分子器件展示出广泛的应用前景，对国民经济的发展将起重要的推动作用

3碰撞的精密计算:激光与原子分子相互作用及光信息学研究 激光与原子分子相互作用可以用于高精度的测定原子、分子的各种数据，研究特殊条件下的原子分子以及控制原子分子的运动等，具有重大理论意义和广阔的实际应用前景,激光等离子体理论及强激光对晶体材料损伤机理的研究对激光淀积制备多层膜材料方面有重要的指导意义，特别是激光对导航窗口材料损伤阈值条件研究是国防军事上关注的重大问题之一

4原子,分子,离子与固体和表面的相互作用

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另外还有一种说法:一、原子分子碰撞

原子分子与各种粒子(正负电子、离子等)碰撞过程的研究不仅有助于深入了解原子分子结构，揭示基本物理规律，而且能为许多相关学科和应用领域(如天体物理、等离子体物理、凝聚态物理、分子反应动力学及核聚变研究、X-射线激光研究等)提供研究方法和基本数据。近年来本专业点就以下两个方面开展了深入系统的理论研究，形成了自己的特点并取得了一系列科研成果:

(1)电子-原子、分子碰撞的光学势模型和可加性规则:提出了较完善的电子—原子(或分子)散射的光学势模型，建立了一套较完整的理论计算方法，从而将正电子、负电子被原子或分子散射的微分截面、d性散射截面、非d性散射截面以及相对论效应对散射截面的修正等计算纳入一个统一而简捷的理论框架之中，在约1--5000eV的中低能区对大量原子、分子的散射截面进行了准确的计算，特别是对几种复杂分子散射截面的计算，为现有实验结果提供了不可多得的理论比较支持，得到了国内外同行(如中国科大原子碰撞实验组、德国ULM大学光谱与结构数据研究组等)的重视。该方向的系列研究论文发表在Phys.Rev.A、Phys.Lett.A、Z.Phys.D、J.Phys.B.、Europe.Phys.D、物理学报、原子分子物理学报等国内外重要学术刊物上。论文被A.Zecca、Garcia、K.N.Joshipura、C.Winstead、 D.D.Reid等国内外著名学者多次引用。

(2)电子-分子散射截面的准经验公式:针对一些双原子分子、三原子分子等提出了与分子本身参数及入射电子能量有关的碰撞总截面准经验公式。公式相当简单，但较好地与实验相吻合，体现了物理规律简洁、定量、准确的特征，具有十分丰富的物理内涵，极具进一步研究的价值。已有多篇反映该方面研究成果的论文在Phys.Lett.A、Z.Phys.D、原子分子物理学报等刊物上发表，著名美籍华裔原子分子物理学家、美国原子工程公司总裁陆光祖 (K.T.Lu)教授对此项工作给予了高度评价，并提出了重要而具体的研究建议。

(3)激光场中电子与原子的相互作用:以频率、极化方向和强度为特征的光子的参与，使得碰撞过程更为复杂，对其进行深入地研究，能够揭示出许多新的物理现象与效应，加深对相关粒子间相互作用及动力学过程的理解。激光辅助下电子被原子d性散射的自由—自由跃迁，是指在激光作用下靶原子保持在基态，而电子在被散射时吸收或发射光子，导致其能量发生数个光子变化的现象，这是激光与电子、原子相互作用的重要形式之一。以低频激光(软光子)为前提的Kroll-Watson近似，目前是比较简捷的方法，被普遍用于理论计算及实验结果分析，但随着实验研究的细致深入，观测到了不少其现论无法解释的结果，引起了国际学者的关注，导致了人们对散射过程中可能存在的新效应与新现象的浓厚兴趣。课题组于三年前对该课题投入大量的精力，在国际上率先建立并完善了一套具有自己特色的微扰理论方法，并对激光场中电子与He、Ar原子的相互作用进行了研究，成功地解释了激光场中电子与原子散射的小角度问题，倍受国际专家学者的关注，其成果已发表在Phys.Rev.A、Chinese Physics等著名学术期刊上。我国有些单位己开展了电子—原子散射实验，但由于将激光引入碰撞研究对设备、技术及经费的较高要求，尚未开展相应的实验研究理论研究方面，国内迄今亦未见有其它系统的研究报道。

(4)原子的光电离和光激发:原子光电离与激发可以帮助我们更好地理解原子中电子的关联与极化，对新型激光器、X-射线激光的研制以及天体物理中不透明度的计算都有着重要贡献。本课题组与清华大学的李家明院士合作，成功地开发了R-Matrix软件包，利用R矩阵密藕方法，系统研究了氦原子高激发态光电离的总截面、微分截面以及β参数，填补了部分理论数据的空白。该项研究可为离子双电子复合以及等离子体衰变辐射过程提供数据，论文已被Phys.Rev.A和物理学报接受发表。

二、原子分子与固体表面相互作用

原子分子与固体表面相互作用是原子分子物理与其它学科的一个极有意义和前途的交叉学科。本专业点的研究主要包括以下内容:

(1)原子分子在固体表面的吸附:对外来原子在固体表面上吸附这一物理化学过程的研究在催化、防腐、催化剂的选择和制造、环境保护等方面均有重要意义。近几年来本专业点在该方向进行了深入研究，内容涉及“掺杂晶体表面的吸附”，“无序及部分有序二元合金表面的吸附”、“复合材料表面的吸附”等课题，研究结果处于国际前沿领域，国内同类研究还很少。

(2)原子分子或离子与表面的电荷转移:原子分子或离子与表面作用过程大多数伴随着电荷转移，对这种现象的研究对于理解原子分子同表面相互作用机理，避免某些有害过程(如宇宙空间粒子对航天器件的影响)以及进行表面分析等都有重要意义。本学科点近几年开展了“粒子在掺杂晶体表面的中和过程的研究”、“原子分子或离子与二元合金表面相互作用过程中电荷转移的研究”等。有关研究成果已发表于Surface Science, J.Physics 等国际学术刊物上。

(3)过渡金属原子与半导体表面的相互作用:九十年代以来，由于应用和理论方面的重要性，对过渡金属膜及其化合物在导体表面上外延生长所形成的“铁磁体/半导体”的应用前景，并与下一世纪“磁电子学”的发展密切相关。人们对此体系进行了较多的实验研究，但理论研究还很缺乏。我们首次用能带方法对“Mn与GaAs(001)的相互作用”及其“"Mn-基异质体系集磁性与半导体电子学于一体，在磁电子器件和磁光器件的研制和开发方面有广泛化合物”的电子结构与磁性进行了系统的理论研究，包括吸附特性、电子结构和表面磁性等(已在Phys.Rev.B.等国际著名期刊上发表10余篇论文)，所得结果与实验符合得很好。

三、原子对电子的局域化作用机制及其在固体材料研究中的应用

从原子分子微观角度研究固体材料的特性、开展材料的原子分子设计与合成是原子分子物理和凝聚态物理、材料物理等多学科交叉的研究领域，原子对电子的局域化作用机制及其在固体材料研究中的应用是该领域中基础和应用意义重大的前沿课题。本学科近年来在该领域就以下几个方面开展了富有特色的研究并取得了突出的成果:

(1)金属氧化物复合体系的电子结构、缺陷与相变的研究:在该研究方面，本课题组首先将正电子实验手段引入氧化物超导体电子结构与电荷转移机制的系统研究，给出了O-T相变过程局域电子结构与空位变化特征，发现了存在于四方相中Cu-O链区域电子的弱局域化效应，进一步证明高温氧化物超导材料是一氧缺陷的正交结构体系，在电荷库层和导电层之间电荷转移机制研究方面作出了有特色的工作在氧化锌压敏陶瓷研究方面，通过各种制备工艺获得了不同结构特征的压敏材料，将正电子及相关实验技术用于该类材料的系统研究，为高温超导机理与氧化锌压敏机理的研究提供了重要的正电子实验证据。有关课题得到国家超导863计划和攀登计划专家委员会、国家自然科学基金委、河南省自然科学基金委和河南省优秀中青年骨干教师奖历基金的资助，并取得了一系列有特色的成果，课题组负责人曾因此应会议主席的特别邀请和资助在德国和法国举行的国际会议上作大会特邀报告九六年经国家科委批准，该学科成功地主办了首届世界华人青年超导学术会议，国内外十二个国家和地区的专家学者赴会，其中包括诺贝尔奖得主、高温超导发现者、瑞士IBM实验室的J.G.Bednorz教授在内。近年来，已在国内外著名学术期刊Physical Review B、Physics Letter A和中国科学、物理学报等公开发表论文一百余篇，其中SCI、EI收录40余篇，目前已发现被国内外学者引用近40次。

(2)复合氧化物功能陶瓷材料及应用研究:在该方面主要进行了多元氧化锌压敏陶瓷材料和多孔硅发光材料的基础研究及应用探索，利用对压敏特性的影响规律，找到了相应的材料改性方案，获得了具有低组分和较高非线性系数的压敏样品，其论文发表于Materials Science Forum(材料科学论坛，瑞士)、功能材料等，为该类材料压敏机理的理解和材料制备与应用改性提供了重要的基础研究资料，因而具有直接的应用价值和实际意义。该方面研究获得了河南省自然科学基金和河南省科技攻关计划项目的资助，有关ZnO复合氧化物压敏陶瓷的相关工艺和制备技术，拟在我国氧化锌压敏电阻器最大生产企业之一的河南金冠集团付诸产业化应用(该项目已于1998年被河南省科委作为河南省科技攻关项目在本课题组立项(No.981120407)。

四、原子与激光光谱

激光光谱研究是原子与分子物理学中一个重要的研究方向。本学科成员在该方向就以两个方面开展了很有成效和特色的工作: (1)共振滤波器研究:目前，随着激光通信技术，尤其是激光对潜通信、激光探潜技术和星载激光通讯的飞速发展，为了提高通信距离和效率，不仅需要单频、带宽可调谐的大功率激光器，而且必须具有窄带宽、高透过、中心频率可调谐的与之相匹配的滤光器件。正是基于这种重要的应用背景，原于共振滤波器的研究成为目前国际上一个活跃的研究课题，我国在此方面还处于初步的基础研究阶段。本学科点深入开展了原子气体Faraday反常色散滤光器的基础理论研究和初步的实验研究，在工作波长可调、带宽较窄、通带内高透射、通带外高抑制、响应时间长等重要的特征指标要求方面取得了可喜的成绩，在国际和国家核心期刊上发表了系列研究论文。

(2)超短超强激光场中原子分子的非线性研究:本学科成员与上海光机所强光光学实验室合作，开展了原子、分子、离子、原子团簇在超短脉冲强光场作用下的电离和高次谐波辐射特性研究。在理论方面，利用二能级原子模型研究了激光强度，激光频率以及原子跃迁频率对高次谐波辐射的影响，得到了和其它原子模型相同的结果利用一维势模型研究了激光强度，激光频率，原子电离能双包场初始粒子数布局，脉冲宽度和脉冲形状等参量对高次谐波辐射的影响首次研究了分子离子的核间隔对分子离子的电离和高次谐波辐射的影响，发现在其一段核间隔内非常有利于高次谐波辐射首次研究了原子团簇的尺寸， 激光强度对原子团簇的电离和光辐射的影响利用半经典理论研究了任意偏振双包场高次谐波辐射，以及任意濒率双包场作用下的高阶和和频过程。在实验工作方面，在中国科学院上海光学精密机械研究所强光光学开放研究实验室的TW级45飞秒钦宝石激光装置上，以氢气为工作介质得到了81次以上的高次谐波辐射，相应波长短于1Onm，这一结果达到国际同类实验先进水平以氖气为工作介质，获得的可分辩的高次谐波高达107次(7.3nm)，不可分辩的辐射信号高于121次，这一结果同样达到国际领先地位。

我校原子与分子物理学科从九十年代初开始建设，在较短时间内取得了突出的成绩，受到了全国同行的重视，于1995午获得了硕士学位授予权，成为全国十多个硕士点之一和国内该学科最高学术组织--原子分子物理专业委员会的成员单位之一。目前该学科学术队成员年富力强，勇于开拓进取有原子分子碰撞、原子分子与固体表面相互作用、原子对电子的局域化作用机制及其在固体材料研究中的应用和原子与激光光谱四个稳定的研究方向，已经形成了自己的研究特色，并取得了一系列重要科研成果。

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