1996年，E.Beaurepaire等科学家发现的飞秒激光诱导超快退磁现象为我们提供了在超快时间尺度下操纵磁矩的全新思路，也诞生了一个新的研究领域:飞秒磁学。随后，科学家们在GdFeCo等体系中证实了超快的磁矩翻转，这个翻转时间最快可以到几个皮秒。另一方面，飞秒激光诱导产生的超快自旋流的发现也为超快磁翻转以及太赫兹发生器等新型自旋电子学器件的研制提供了新的方向。然而，20多年过去了，人们对飞秒激光诱导产生的在亚皮秒尺度上发生的超快退磁现象的物理机制的理解依然不够准确和深入，这主要体现在对一些现象的解释上存在明显的矛盾。比如，Zhang等人的理论以及Koopmans等人的实验结果都证实了自旋轨道耦合强度越强，超快退磁时间越短。但是，S.Iihama等人在实验上观察到Ni薄膜的退磁时间比FePt更快，但是我们知道，FePt这种具有垂直各向异性的体系，其自旋轨道耦合显然是比Ni薄膜更大。还有，A.Eschenlohr等人报道了Ni薄膜中主要是局域的自旋翻转机制对超快退磁起主导作用，这和M.Battiato等人在完全相同的体系中的理论预期完全相反。另外，对于热电子输运导致的超快退磁，A.Eschenlohr等人的实验结果和非局域的自旋超扩散机制吻合的非常好，而N.Bergeard等人在类似的体系中，采用类似的实验构型，得到了类似的实验现象，但是在理论解释上采用的却是完全相反的局域的自旋翻转机制。诸如此类矛盾的存在说明我们对超快退磁机制的理解还有很长的路要走。　　另外，关于超快退磁时间τM和阻尼因子α之间的关系，理论预期和实验结果之间也存在明显的矛盾，在超快退磁机制的研究当中，这是一个长期存在而未能得到解决的突出问题。比如，2005年，Koopmans等人在理论上预期了二者之间成反比关系。但是，随后的实验结果并不符合这一理论预期，比如，J.Walowski、I.Radu以及国内的学者周仕明老师等分别独立报道了超快退磁时间随着阻尼因子的增大而增大这样的实验结果，他们都是采用向3d过渡族金属中参杂重稀土元素来调控阻尼因子，另外，国内的赵海斌老师等人在CoFeAl薄膜中也证实了超快退磁时间随着阻尼因子增大而增大的现象。这些实验结果都和Koopmans等人给出的理论预期截然相反。更重要的是，阻尼因子所代表的是时间尺度在ns量级的自旋-晶格的相互作用过程，在超快研究的早期工作中，人们一度认为由内禀的自旋晶格耦合决定的弛豫时间就是人们所能操纵磁矩的最短时间，然而，之后更短脉冲超快激光的问世打破了这一极限，实现了亚皮秒尺度的超快退磁，从这个角度讲，我们更是非常有必要去研究这两个时间尺度上发生的动力学行为的关联。　　因此，本论文将主要围绕着超快退磁时间τM和阻尼因子α二者之间的关系来展开讨论，在此基础上，研究超快退磁的物理机制。我们选择了Co/Ni铁磁/铁磁耦合的异质结构体系、FeGa/IrMn铁磁/反铁磁交换偏置异质结构体系以及Co/Pt铁磁/非磁性金属的异质结构体系来研究超快退磁的物理机制。　　一，我们选择了具有优异垂直各向异性的Co/Ni双层膜体系，采用时间分辨的磁光克尔技术分别测量了纳秒和亚皮秒时间尺度下的磁动力学过程，分别得到体系的阻尼因子和超快退磁时间，在实验上证实了二者之间呈线性正比关系，这一结果和基于费米呼吸模型的理论计算非常吻合，并给出了定量的解释。我们得到了体系的自旋翻转几率b2=0.28，这一数值值远远大于单层的Co和Ni薄膜中的数值，这主要来自于Co/Ni界面处的强自旋轨道耦合效应。另外，对于金属多层膜异质结构中的超快退磁机制，往往既包含内禀的自旋翻转的贡献，也包含受激发的自旋依赖的电子输运的贡献，我们提出，通过研究超快退磁时间和阻尼因子的关系可以区分哪一种机制起主导作用。比如，如果超快退磁时间和阻尼因子成正比关系，那么内禀的自旋翻转机制起主导作用，否则，就是非局域的自旋依赖的电子输运机制起主导作用。Co和Ni都是3d过渡族磁性金属，电子的弛豫发生在费米面附近，两者的超快退磁机制一样，这和之前采用的向3d过渡族金属中参杂稀土元素的方法完全不同，在那里，负责提供绝大部分磁矩的是内层的4f电子，但是它们由于远离费米面，并不参与自旋翻转的过程，属于第二类超快退磁体系，因此，这种方法因为同时引入了两种超快退磁机制得到的结果是不可信的。而我们的工作中选取Co/Ni的双层膜体系，因为避免了这一问题而建立起了真正的超快退磁时间和阻尼因子二者之间的关系。　　二、我们选取FeGa/IrMn交换偏置双层膜体系，主要采用TRMOKE技术研究了FeGa(10nm)/IrMn(t nm)交换偏置双层膜系统的ns时间尺度和亚ps时间尺度下的自旋动力学过程。在磁矩进动动力学过程中，我们观察到阻尼因子随着反铁磁厚度的增大先增加后减小的趋势，在反铁磁厚度等于2nm时达到最大值。我们提出，自旋泵浦诱导的自旋流效应是阻尼的主要来源，而界面处的铁磁和反铁磁的交换耦合使得反铁磁在铁磁的带动下发生进动，当反铁磁比较薄的情况下，这种反铁磁的进动产生的自旋流因为反铁磁排列的无序会被大大减弱，而反铁磁大于2nm的时候，反铁磁序建立起来，反铁磁进动产生的自旋流相干加强。在这样的模型下，我们第一性原理计算的结果和实验测量的结果基本趋势是相吻合的。在此基础上，我们测量了超快退磁时间随着反铁磁厚度的增大先减小后增大，在反铁磁厚度为2nm时，达到最小值，这表明阻尼因子对超快退磁过程可能会有重要影响。因为这两个时间尺度上的动力学过程都涉及到自旋角动量的耗散，联系超快退磁时间和阻尼因子的一个重要物理量是界面处的化学势μs，这个自旋化学势越大由自旋流起主导作用的阻尼对超快退磁过程的影响越大。很长时间以来，人们一直认为自旋泵浦产生的自旋流是垂直于磁矩的方向，而超快退磁过程的自旋弛豫是沿着磁矩的纵向方向，这两个过程可能不会有联系，而我们的实验结果证实了这两个过程之间确实存在关联，在此基础上，我们提出自旋泵浦效应产生的横向自旋流也可以作为超快退磁的物理机制之一。　　三、我们在实验上采用时间分辨磁光克尔效应研究了具有纳米磁畴结构的(Co/Pt)20多层膜体系的磁场依赖和激光功率依赖的超快退磁过程。实验结果表明，超快退磁时间和外磁场无关，随着激光功率的增大而增大。我们采用原子尺度动力学模型对实验测量的超快退磁曲线进行模拟，实验和模拟结果非常吻合，证明了在我们的研究体系中，横向自旋热涨落机制对超快退磁过程起主导作用，而磁畴间的超快自旋流效应可以忽略不计。