在许多测试过程中，我们常常需要根据样品有无磁性来制定相应的测试方案。一般来说，铁磁性和亚铁磁性材料可被磁铁吸引，属于我们常说的“有磁性”的材料；而顺磁性、抗磁性和反铁磁性材料不能被磁铁吸引，经常被认为是“没有磁性”的材料。
实际铁磁性材料内部通常会形成一个个小区域，区域内部的磁矩一致排列，而不同的区域之间的磁矩取向不同，正如图1所示。这种结构被称为磁畴，磁畴之间的过渡区域称为磁畴壁。磁畴结构类似于多晶材料的晶格结构，使磁矩呈现出短程有序，长程无序的特性。
图1 磁性材料中的磁畴和畴壁
由于磁畴内部磁矩严格一致取向，因此现代磁学应用大多以单个磁畴为基本单位进行调控，比如常见的硬盘等磁存储器，就是以磁畴单元磁化取向的不同来存储二进制信息0或1，如图2所示。
图2 早期硬盘磁记录的基本原理。其中磁畴的不同磁化方向代表二进制信息0或1
对磁畴结构的观测也可以判断材料的磁化特征。例如磁畴扩大或缩小时所需要的外磁场，往往代表了该材料的矫顽力。这对于NdFeB、SmCo等永磁合金材料的应用较为重要，高矫顽力和高饱和磁化强度正是永磁材料磁能积较大的标志，换句话说，永磁材料的磁性也就更强。
对于Fe、FeNi、FeCoB等软磁材料而言，其矫顽力极低，磁畴结构很容易受到外磁场的影响，因此从磁畴结构的变化上面可以反映出外部影响因素的微弱变化。以自旋轨道矩（SOT）的相关研究为例，通常利用在FeNi等磁性层的相邻重金属层中施加电流，来影响FeNi层的磁矩翻转特性，磁畴的扩大或缩小可以反映出异质结构的临界翻转电流密度。总之，磁畴的观察和表征手段是支持磁性材料和器件开发的重要手段。
采用磁光克尔显微镜可以实时观察材料中磁畴的变化。
磁光克尔显微镜（Magneto-Optical Kerr-Microscope, MOKE）
根据磁光克尔效应，偏振光通过被磁化的介质表面后，其反射光的偏振面相较于入射光会发生一定偏转，偏转角大小取决于该区域的磁化状态，如图3所示。磁光克尔显微镜是利用磁光克尔效应观察磁性材料或器件表面磁化状态的成像设备，通过检测反射光偏振面的变化，进而获得材料表面磁化状态信息。
图4所示为磁光克尔显微镜的实物图。在光源端，由LED点阵光源产生白光，通过偏振片后形成偏振光；在待测材料上，偏振光入射到被磁化的介质表面时，由于磁光克尔效应产生了一定的偏转角；接收端检测到不同偏转状态的反射光后，通过检偏器可以转化为对比参数，从而在屏幕上显示出磁畴的明暗变化。
磁光克尔显微镜可以用来观测多种磁性材料的磁畴、磁化过程以及磁滞回线，如块体材料、带状材料、磁性薄膜、多层膜、图样薄膜等；可观测的磁结构主要包括磁畴（磁畴壁）、磁斯格明子（magnetic skrymion）、磁半子和磁涡旋等。磁斯格明子由于其小尺寸、低驱动电流密度以及拓扑保护性等特征在新一代磁存储和逻辑器件中受到广泛关注，以磁光克尔显微镜来观测斯格明子的相关研究层出不穷。斯格明子是指一类特殊的磁性结构。如图5所示，其基本构型为斯格明子中心的磁矩方向同外部磁矩方向完全相反，从而形成拓扑保护的磁结构。斯格明子的典型特征之一是可以被电流所驱动，同时会发生斯格明子霍尔效应，即斯格明子在电流驱动时会向垂直于运动方向偏移。
本平台在斯格明子等磁性拓扑结构的观测方面具有丰富的经验。图6(A)和(B)所示为采用磁光克尔显微镜所观测到的磁斯格明子，并在此基础上进行了相关的科学研究。在具有楔形结构的Pt/Co/Ta垂直磁化多层膜样品中研究磁畴壁的运动规律发现：当Co层较厚时（1.33 nm，如图6(A)所示），磁畴壁在外磁场驱动下运动速度是各项同性的；当Co层较薄时（1.14 nm，如图6(B)所示），磁畴壁在外磁场驱动下运动速度是各向异性的。进一步通过施加脉冲磁场的方法，成功获取了不同Co厚度下，磁畴壁在外磁场驱动下的运动速度与脉冲磁场大小的依赖关系，如图6(C)所示。指数型的速度-磁场依赖关系揭示出该磁畴壁的运动处于蠕动模型区域。
图6 (A)和(B)分别表示在脉冲磁场作用下磁畴的运动示意图 (C)不同Co厚度样品的畴壁运动速度与外加脉冲磁场大小的依赖关系[2]。磁光克尔显微镜是对磁性材料的磁畴结构进行实时观测的新技术。磁光克尔显微镜作为无损且即时观测介质表面磁结构的设备，已经并将继续作为研究材料磁畴结构的强大工具，并促进新型磁性材料和磁性器件的开发。
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