本章節利用Co/Ru/Co 三明治結構所組成的 IEC 結構，研究渦旋光對磁性材料的影響，
並且探討無IEC 結構對實驗結果的影響。
3-1 樣品介紹
此樣品與2018 年北京中科院韓秀峰老師實驗室發表文章17中的樣品製程結構相同，首 先將樣品拿到光學顯微鏡下拍攝結構可以看到樣品的結構是一個雙十字的圖案，且在樣品 的六個角落皆鍍上銅/金當作電極，如圖 21 所示。
圖21 光學顯微鏡圖與樣品結構圖 Substrate Si/SiO2
Pt(5.0nm) Co(0.4nm) Ru(1.4nm) Co(1.2nm) Pt(5.0nm)
Cu/Au 20μm
再將此樣品拿到磁光柯爾顯微鏡下進行磁特性的量測，觀察樣品在面內與面外方向的 鐵磁訊號，可以看到在沒有做任何實驗的情況下，面內方向的矯頑力大約為40 Oe，面外方 向的矯頑力大約為380 Oe，分別如圖 22 與圖 23。
圖22 面內方向的磁滯曲線圖
圖23 面外方向的磁滯曲線圖 -200 0 200
0
-50 50
Kerr signal (arb. unit)
Magnetic Field (Oe) Longitudinal MOKE
200 400
400
-400 0
0 -200 200
Magnetic Field (Oe)
Kerr signal (arb. unit) Polar MOKE
-400
-200
3-2 實驗程序
製作LG 光束的第一步驟是將 532nm 雷射打到空間光調製器(SLM)上，使 SLM 將 LG 光束的相位輸入到雷射內，再經由分光鏡，將從SLM 反射回來的光源透過物鏡聚焦在樣品 上。因SLM 只接收線偏振的光源，所以放置半波片以及偏振片在雷射光源前，用以確定入 射光源為線性偏振光。照射渦旋光的光點大小為直徑5 μm，"寫入"樣品的過程為: 在上述樣 品的十字型的中心處，約10 μm x 40 μm 的長方形區域，以 5 μm 為一步，每一步照射 30 秒，直到寫滿該區域。
圖24 渦旋光光路示意圖 532 nm Laser
Mirror HWP Polarizer Mirror
Beam splitter SLM
照光之後，將樣品拿出至磁光柯爾顯微鏡(如圖 25)下進行磁性的觀察，針對照光的區域 做灰階分析，研判反射光強度對於磁場的關係，如第二章之2-7-2 節所描述，本實驗所有步 驟均在室溫下進行。
圖25 磁光柯爾顯微鏡裝置圖
3-3 渦旋光改變材料鐵磁特性
將功率 2.5 mW 攜帶 OAM = +5 的渦旋光照射到樣品上時發現，發現樣品的磁滯曲線 (Hysteresis Loop)關閉如圖 26(a)，代表著材料特性由鐵磁性材料轉換成為順磁性材料。因此 為了判斷此特性是否為光功率過高所造成熱擾動影響，在相同條件下，使用未攜帶任何OAM 的線偏振光源進行照射。看到其Hysteresis Loop 並無關閉如圖 26(b)，以此證明並非光功率 過高導致材料加溫到居禮點，此對照組的實驗證實，OAM 的照射與磁滯曲線的改變有相當 程度的關聯性。另一方面，圖 26(c)則是另一組對照組，以同樣為 2.5 mW 功率但使用較低 的軌道角動量量子數，寫入樣品表面後，發現鐵磁性磁滯曲線無法被改變。同樣的，在圖 26(d)，固定軌道角動量量子數(OAM = +5)，但使用較低的功率寫入樣品表面，結果也無法
改變樣品的鐵磁性磁滯曲線。另外，使用功率 2.6mW 帶有左旋或右旋角動量(圖 26(e)、圖 26(f))對材料進行照設，來對自旋角動量和軌道角動量做比較，可以看到照射前後的光無法 改變樣品的磁特性，這點也符合Fullerton 團隊在 2014 年的文章20中所述的，帶有自旋角動 量的雷射打在樣品上改變磁化強度的原理是利用飛秒雷射的高功率使樣品達到居禮點，在 藉由自旋角動量的因素，令材料冷卻後磁矩有特定方向的傾向，而非改變磁特性。綜上所述，
要使樣品的鐵磁性磁滯曲線改變，存在著一些門檻，在低功率、較低的軌道角動量量子數的 條件之下，是無法成功改變樣品磁性的，而且使用基礎的線偏振光也排除了熱效應的影響。
並與自旋角動量做比較，可知帶有軌道角動量的光對材料的影響力度較大。
圖26 渦旋光改變材料鐵磁特性實驗數據圖 Magnetic Field (Oe)
Kerr signal (arb. unit) (e)
Magnetic Field (Oe) Kerr signal (arb. unit) (f)
-100 -50 0 50 100
Before LASER illum.
After 2.5 mW OAM+5 illum.
Kerr signal (arb. unit)
Magnetic Field (Oe) -100 -50 0 50 100
Before LASER illum.
After 2.5 mW OAM 0 illum.
Magnetic Field (Oe)
Kerr signal (arb. unit)
-100 -50 0 50 100
Before LASER illum.
After 2.5 mW OAM+2 illum.
After 2.5 mW OAM+3 illum.
Magnetic Field (Oe)
Kerr signal (arb. unit)
-100 -50 0 50 100
Before LASER illum.
After 1 mW OAM+5 illum.
After 2 mW OAM+5 illum.
Kerr signal (arb. unit)
Magnetic Field (Oe)
(a) (b)
(c) (d)
3-4 渦旋光改變材料磁各向異性
在知道功率 2.5mW 帶有軌道角動量量子數(OAM = +5)的光可以改變材料的磁特性之 後，透過旋轉樣品的角度，改變樣品長軸與磁場之間的夾角，並量測各角度所得到的磁滯曲 線，以此方式分析此樣品的MA，根據定義，樣品磁性翻轉的當下的正場與負場的差值為樣 品的矯頑力(Coercivity)，如圖 27 所示，黑色箭頭的差距即為兩倍的矯頑力大小。
圖 27 矯頑力量測示意圖。
將各角度所得到的矯頑力以polar 圖的方式排列後，呈現於圖 28，可以發現，此樣品的 磁易軸方向，在照射渦旋光後，原本在0∘的位置，轉向至大約 80∘的地方，而原本 0∘的 位置，變成了順磁性的曲線。圖28 說明了這個樣品的 MA，被渦旋光寫入後，有相當程度 的改變。詳細各個角度照光前、後的磁滯曲線請參照圖29、圖 30。
Kerr signal (arb. unit)
Magnetic Field (Oe) 50
-50 0
-200 0 200
圖28 (a)、(b)分別為照射渦旋光前、後的極化量測。
250 260 270 280 290 300
250 260 270 280 290 300
圖 30 照光後各角度磁滯曲線圖
3-5 渦旋光調控磁各向異性實驗
由圖28 觀察到的結果，可以繼續延伸下去，既然照射軌道角動量量子數+5 的渦旋光會 轉向，那麼以相同的參數照射軌道角動量量子數(OAM = -5)的光在同一點，其磁易軸會否轉 向到相反的方向? 因為 OAM 的正負號差別在於，其實就是螺旋光波前的相位變化為順時 鐘與逆時鐘的差別。再者，如果翻轉不回原本的角度，那麼要如何使被改變過的樣品恢復到 其原本的狀態呢？預期翻轉回來的方式是由施加一個垂直方向的磁場，使得下層的鈷的磁 矩翻回原本預設的垂直方向，並藉由IEC 的機制，將上層鈷的磁矩恢復成原本水平的方向。
對同一樣品同一區域進行MA 量測，此處的 MA 的量測與定義方式與前節相同。照光 前的polar 圖為圖 31(a)、照射功率 2.5mW 軌道角動量量子數+5 的光後，所得到的 polar 圖 為圖31(b)，接下來照射軌道角動量量子數-5 的光後，得到的新的 polar 圖為圖 31(c)。最後，
將樣品施加一個垂直方向磁場翻轉下層磁矩，並將所得之polar 圖繪於圖 31(d)。由此實驗可 以觀察到，照射正、負軌道角動量量子數的渦旋光後，其MA 旋轉的方向也不盡相同，並且 在最後施加垂直方向磁場後，可以將磁矩為初始的狀態。代表著光的軌道角動量的正與負的 自由度，確實可以用來改變樣品的MA，並且等效於一個外加垂直磁場。
圖 31 渦旋光調控磁各向異性實驗數據圖，圖中藍色箭頭表示磁易軸方向。右
250260 270 280 290 300
250 260 270 280290 300
250 260 270 280290 300
250 260 270 280 290 300
3-6 無層間交換耦合情況探討
IEC 系統可以將磁矩變化藉由其強耦合紀錄在下層磁矩中，那麼將中間的非磁性層拿 掉，單純只有一層磁性層的時候，渦旋光也可以對 MA 進行調控嗎？因此，製備另外一個 樣品，只有單純的保護層以及 3 nm 厚的鈷，以照射功率 2.5mW 並攜帶軌道角動量量子數 OAM = +5 的光寫入樣品，照光前、後的 MA 分析整理於圖 32(a)、圖 32(c)，圖中的示意圖
代表我們所認為的機制示意圖。實驗結果顯示，此樣品的MA 於照光前後並無變化，因此，
IEC 系統的強耦合結構是對於紀錄磁性的變化是非常重要的。
圖 32 使用渦旋光對無層間交換耦合系統的磁性材料照射分析圖。(a)照光 前、(b)照光時、(c)照光後
(a) (b) (c)