超快脉冲激光技术的发展为磁光实验开辟了一个新的领域——超快磁动力学,这种在飞秒和皮秒尺度上对磁矩进行的探测和操纵,为未来高频磁器件的研究与探索提供了新的方法。早在1996年,E.Beaurepaire等科学家就观测到了飞秒尺度的激光诱导超快退磁现象,而后Koompans等人提出并实现了用飞秒激光在磁性薄膜中激发纳秒尺度自旋进动和检测自旋波的可能,这为我们进行自旋探测和研究提供新的思路。二十多年的发展,人们对脉冲激光诱导的超快退磁背后丰富的物理机制已有诸多研究。从局域机制角度来看,亚皮秒尺度的自旋动力学行为的关键在于三个热力学库——自旋、电子和声子（晶格）间能量和角动量的转移,此外各自由度间的耦合强度及发挥作用的时间尺度也有所不同。对于3d铁磁金属,被广泛认可的机制是声子或杂质辅助的自旋翻转机制,在自旋-轨道耦合的作用下,电声耦合使得自旋发生反转。整个过程,晶格的作用既关键又复杂。根据Elliott-Yafet等人观点,磁矩的快速淬灭是由电子与声子的作用起主导,而之前很多研究认为自旋-晶格散射是角动量耗散的主要通道。另一方面,飞秒激光也可以诱导出纳秒时间尺度下的磁弛豫,即磁进动。其中,重要参数阻尼因子,代表纳秒时间尺度下的自旋-晶格互作用。综合来看,晶格在两个尺度下的磁动力学的作用都十分显著,但具体的贡献尤其在超快退磁中,晶格与电子或自旋耦合的权重,有必要进一步探讨。另外材料具有晶体对称性,而且在磁性材料中,由于自旋-轨道耦合和晶体场的作用,存在磁晶各向异性,即磁矩排列在空间上具有方向依赖性,这种晶格造成的各向异性可能会在耦合作用中有所体现。近年来已有研究表明,铁磁金属及其合金存在各向异性阻尼。然而在亚皮秒尺度下的方向依赖性的研究目前仍是空白,而该问题的探讨也能进一步促进我们对晶格在超快退磁过程中所发挥作用的理解。另一方面,早在2010年,M.Battaio等人提出非局域的超扩散自旋输运导致超快退磁的理论。随后实验上也观测到了热电子自旋流可以主导超快退磁过程,并能使邻近非磁性或磁性层的磁矩迅速增大,甚至在强自旋-轨道耦合材料中通过自旋-电荷转化激发出太赫兹波。这都说明在铁磁金属中,飞秒激光诱导的超快自旋流确实存在。自旋流的注入及耗散与界面处及非磁层的性质息息相关,通过影响自旋多子和少子的寿命和效率,影响退磁的快慢。在铁磁/非磁材料异质结,界面处的性质对阻尼因子有显著影响,比如基于自旋泵浦效应、磁近邻效应及界面处的化学反应等。对于一些新型的量子材料,如拓扑绝缘体（TI）,具有线性色散关系的拓扑表面态（TSS）,其与铁磁金属结合,会形成怎样复杂的界面诱导出有趣的物理现象,是令人期待的。近年来,在FM/TI中已经发现了许多如量子自旋霍尔等奇特现象,而在磁动力学方面发现TI会增强铁磁层的阻尼,但其机制还有待研究,而且TI对铁磁材料超快退磁过程的影响目前尚无报道。基于以上,本论文主要包括以下内容:一、利用时间分辨的磁光克尔效应仪（TRMOKE）研究了Fe/Bi2Se3异质结中拓扑表面态增强的超快磁动力学及其机制。在Fe/Bi2Se3（t QL）（Quintuple layer,1QL=0.95 nm）异质结中,拓扑绝缘体的存在使得退磁加快和阻尼增强且出现较大的界面垂直磁各向异性。退磁时间和阻尼因子均在Bi2Se3为6 QL时出现跳变;角分辨光电子能谱及能带计算显示,厚度低于6 QL时,Bi2Se3并无拓扑表面态,而在6 QL及以上出现拓扑表面态。这表明增强的磁弛豫源自TSS。通过对比三个典型样品Fe/Cu（0,5nm）/Bi2Se3（3,9 QL）的动力学特性,发现TSS不仅通过自旋泵浦效应增强Fe的阻尼因子,同时存在界面耦合效应使其动力学的增强效应具有温度依赖性。变温实验显示,Fe/Bi2Se3（9 QL）的磁阻尼因子150K以下显著增强且与界面垂直磁各向异性具有相同的趋势,而在无TTS的Fe/Bi2Se3（3 QL）及插Cu隔绝的Fe与TSS接触的样品中,阻尼和界面各向异性常数并不随温度变化。这说明动力学增强效果的温度依赖性是源自TSS与Fe的界面耦合效应。最重要的是,Fe/Bi2Se3（9 QL）的阻尼与界面垂直磁各向异性常数呈线性关系,而二者均与界面自旋-轨道耦合密切联系。理论计算表明,在6 MLFe-Bi2Se3（9 QL）中,费米面处TSS与Fe出现强烈的能带杂化。故我们认为,TSS增强的超快自旋动力学源自飞秒激光诱导的超扩散自旋流,以及Fe与Bi2Se3轨道在费米面处的强能带杂化导致增强的界面自旋-轨道耦合。我们的工作不仅揭示了Fe/Bi2Se3中多个自旋流耗散通道的机制,为TSS增强动力学的机制提供新的见解,丰富了铁薄膜非局域超快退磁的研究。而且同时也为基于拓扑材料的磁动力学研究提供了新的视角。二、选择Fe（110）/Mg O（111）单晶薄膜体系,利用TRMOKE研究了磁场沿面内不同方向下的超快退磁和磁进动,发现呈现六重对称性的退磁时间和阻尼因子。对比瞬时反射率实验,我们发现电子与声子耦合为各向同性,排除其空间方向的差异性,表明各向异性的超快退磁与自旋-晶格耦合的方向依赖性有关;这种方向依赖性的自旋与晶格互作用在纳秒尺度仍有体现,呈现出各向异性阻尼。在Fe（110）动力学行为中,自旋与晶格相互作用不可忽略。理论上,超快退磁与阻尼因子均与材料的带结构及自旋-轨道耦合有关。故推测磁动力学的各向异性源于Fe（110）费米面处六个犄角的能带结构。实验结果确认了3d金属的磁动力学中超快退磁和阻尼因子的各向异性,明确了自旋与晶格耦合的关键作用,也填补了超快退磁晶格方向依赖性研究领域的空白。三、我们采用全光泵浦-探测技术,在Fe/GFO（100）（Gd Fe O3）异质结中,成功地探测到了无自旋重取向材料GFO的室温反铁磁自旋动力学。通过Fe和GFO的界面交换耦合作用,我们在低磁场下探测到GFO多种进动模式,包括声子模式、准铁磁模式和杂质模式。此外,我们还对反铁磁动力学的激发效率进行了研究。首先,界面处Fe磁矩和GFO净磁矩的相对排列（反平行或平行）可以通过外磁场的大小进行简单地调控,但界面磁配置并不影响各进动模式的激发强度,这是因为GFO中强反铁磁相互作用以及界面处稳定的反铁磁交换耦合使得界面处自旋对外场并不敏感。然而反铁磁动力学模式的进动强度可以通过泵浦激光的功率进行调控。激光功率越大声子模式的进动强度越大,这是由于大的光吸收导致了强的晶格振动。准铁磁模式的激发效率随着激光功率的增加先变大后减小,这源于大的光吸收会极大地改变铁膜的各向异性,铁磁矩本身的进动变剧烈,进而调控了界面交换耦合作用,最终使得GFO的净磁矩的进动幅值变大;但功率的进一步加强,可能会造成界面处磁矩的无序或者电荷的重新分布,最终影响了GFO层进动情况。总而言之,我们可以简单地利用激光功率调控反铁磁动力学的激发效率。此外,我们用磁光克尔效应研究了温度依赖的Fe/B-LSMO(La2-2xSr1+2xMn2O7,x=0.35)异质结磁化翻转行为。当B-LSMO处于铁磁（FM）态,Fe薄膜的矫顽力有极大的增强,且在LSMO顺磁（PM）到铁磁（FM）转变点存在跳变。有趣的是,异质结的小克尔回线出现正交换偏置现象,揭示了Fe与B-LSMO反铁磁界面交换耦合,这归结于Fe层和Mn O2层之间的超交换作用。基于反铁磁界面交换耦合和各向异性场,我们唯象地讨论了易磁化方向和难磁化方向截然不同的磁化翻转行为。我们相信,3d铁磁金属与双层锰矿之间的反铁磁界面交换耦合的发现将为人工磁耦合材料的设计和新型自旋电子器件的构筑提供了新的见解。