Теория экваториальных эффектов

Содержание

ВЕДЕНИЕ.. 3

1. ТЕОРИЯ ЭКВАТОРИАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ.. 10

1.1. Электромагнитные волны в ферромагнетике при экваториальном (поперечном) намагничивании 10

1.2.Нечетные МОЭ для случая экваториально намагниченной пластинки. 14

1.3. Экваториальные эффекты изменения интенсивности прошедшего света в двухслойной системе 24

2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЭКВАТОРИАЛЬНЫХ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ 28

2.1.Методы измерения интенсивностных МОЭ.. 28

2.2.Двухлучевой магнитооптический спектрометр. 29

2.3. Автоматическая установка для измерения экваториальных эффектов в проходящем и отраженном свете 41

3. ГИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭКВАТОРИАЛЬНЫЙ - ЭФФЕКТ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 51

3.1.Формула эффекта для двухслойной системы.. 51

3.2.Образцы. Метод приготовления. Аттестация. 55

3.3.Определение знака экваториальных эффектов. 57

3.4.Результаты измерений - эффекта. Угловая зависимость, изменение знака эффекта при обращении хода луча. 61

3.5.Изучение частотной дисперсии эффекта на пленках Fe и Co. 68

3.6.Возможности практического применения - эффекта. Магнитооптический способ определения показателя преломления прозрачных сред. 75

4.ГИРОМАГНИТНЫЙ ЭКВАТОРИАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ В ПРОШЕДШЕМ СВЕТЕ.. 82

4.1.Гиромагнитные эффекты в оптическом диапазоне частот. 82

4.2.Особенности – эффекта. 83

4.3.Измерение - эффекта. Источники погрешностей при измерении малых изменений интенсивности света и способы их устранения. 85

4.4.Результаты измерений гиромагнитных эффектов изменения интенсивности прошедшего и отраженного света. 90

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ... 101

ЛИТЕРАТУРА.. 103

 

ВЕДЕНИЕ

 

Магнитооптическими эффектами (МОЭ) называют явления, которые возникают при взаимодействии электромагнитного излучения (света) с намагниченным веществом или веществом, находящимся во внешнем магнитном поле [1]. МОЭ, такие как эффекты Фарадея и Керра, циклотронный и ферромагнитный резонанс, связаны с внутренними электронными и магнитными состояниями вещества и служат важным средством их исследования. С помощью магнитооптических методов получены многие существенные физические результаты. Хорошо известна, например, роль эффектов Фарадея и Зеемана в установлении теории Максвелла и расшифровке строения атома. Изучение МОЭ и магнитооптических свойств вещества является и в настоящее время важным, направлением в физике твердого тела и в физике магнитных явлении, имеющим большое научное и прикладное значение.

Проявления магнитооптических свойств специфичны для различных веществ и в различных спектральных диапазонах излучения. Особую группу составляют МОЭ в ферромагнетиках, наблюдаемые в оптическом диапазоне частот (w~ 10¹⁴ – 10¹⁶ с^-1). На оптических частотах ферромагнетики (и, в частности, ферромагнитные металлы) обладают аномальными по сравнению с "немагнитными" веществами магнитооптическими свойствами, обусловленными наличием спонтанной намагниченности [2]. Так, например, постоянные Верде и Керра у железа, кобальта и никеля на несколько порядков превышают значения аналогичных величин для "немагнитных" металлов [3]. Особенности магнитооптических свойств ферромагнетиков позволяют использовать данные магнитооптических измерений для исследования деталей электронной структуры магнитных металлов и полупроводников 4. С другой стороны, они открывают возможности для широкого практического применения МОЗ, например, при изучении доменных структур магнитных материалов, для модуляции изучения 5 и в устройствах записи и считывания информации [6].

Нечетные по намагниченности МОЭ в ферромагнетиках в зависимости от ориентации вектора намагниченности относительно плоскости образца и плоскости падения света принято подразделять на полярные, меридиональные и экваториальные [2,7]. Всего, с учетом отраженного и проходящего света, возможны 6 типов (6 геометрий наблюдения) МОЭ, схематически представленных на рис. 1.

Полярные и меридиональные эффекты относятся к случае, когда вектор лежит в плоскости падения света. Возникновение МОЭ в этой геометрии (например, эффектов Керра и Фарадея) обусловлено двумя причинами: двойным лучепреломлением (включая дихроизм для поглощающих ферромагнетиков) и наличием линейных по намагниченности продольных (вдоль направления волнового вектора) составляющих волн, распространяющихся в ферромагнетике [8]. Если свет поляризован в плоскости падения (P - поляризация) или перпендикулярно к ней (S - поляризация), то линейные по намагниченности эффекты изменения интенсивности отраженного или прошедшего света отсутствуют.

Другая ситуация имеет место при намагничивании образца перпендикулярно плоскости падения света (экваториальное намагничивание). В этом случае двойное лучепреломление в линейном по намагниченности приближении отсутствует, и нечетные эффекты возникают исключительно за счет пропорциональных намагниченности поправок к векторам поляризации электрической и магнитной волн, возбуждаемых в ферромагнетике. При P - поляризации падающей волны возбуждается только одна мода, вектор напряженности электрического поля которой эллиптически поляризован в плоскости падения. Следовательно, и в отраженном, и в проходящем свете должны отсутствовать эффекты изменения поляризации. В то же время наличие продольной поправки у указанной моды приводит к нечетному по намагниченности изменению интенсивности света.

В последние годы получил известность и широко используется при исследовании магнитооптических свойств ферромагнитных материалов экваториальный δ_p - эффект - линейный по намагниченности эффект изменения интенсивности отраженного света, поляризованного в плоскости падения [9 - 12]. Аналогично при S - поляризации падающего света возбуждается одна мода напряженности магнитного поля, содержащая пропорциональную намагниченности поправку. В этом случае возникает δ_S - эффект изменения интенсивности отраженного света, наблюдавшийся на массивных образцах железа в работах[13,14].

МОЭ первых пяти типов (рис, 1), т.е. полярные и меридиональные эффекты Керра и Фарадея, а также экваториальные эффекты изменения интенсивности отраженного света, хорошо известны. Что касается нечетных экваториальных эффектов при прохождении света через экваториально намагниченную пленку или пластинку (случай 6, рис. 1), то такие эффекты до настоящего времени не наблюдались.¹

Существование нечетных по намагниченности эффектов изменения интенсивности и поляризации световой волны при её прохождении через экваториально намагниченный слой ферромагнетика было предсказано в работе [16] в рамках феноменологической теории. Там же были установлены особенности этих эффектов, главная из

1. Подчеркнем, что речь идет о нечетных эффектах. Четный по намагниченности эффект в данной геометрии и при нормальном падении света известен так эффект Коттон-Мутона-Фохта [15]. Этот эффект связан с двойным лучепреломлением.

 

Рис. 1. Типы нечетных магнитооптических эффектов

 

которых состоит в том, что они отличны от нуля лишь при условии, что оптические свойства сред, граничащих с магнитным слоем, различны. Из числа новых эффектов наибольший интерес представляет ( - и – эффекты¹ изменения интенсивности прошедшего света соответственно при P – и S - поляризациях падающей волны. Первый из них (как и аналогичный - эффект при отражении [9]) является гироэлектрическим, т.е. пропорционален недиагональной компоненте Ɛ_xy тензора диэлектрической проницаемости. Второй ( - эффект) имеет чисто гиромагнитное происхождение, т.е. однозначно определяется величиной μ _xy - недиагональной компонентой тензора магнитной проницаемости.

В последнее время привлекает к себе внимание вопрос об определении (в рамках макроскопической электродинамики) величины высокочастотной магнитной проницаемости (w) и о трактовке физического смысла этой величины в оптическом диапазоне частот [17 - 23]. В работе [17], в частности, было показано, что при учете слабой пространственной дисперсии гиромагнитные свойства ферромагнетиков на оптических частотах могут возникать как результат анизотропии их гидроэлектрических свойств при выделенном направлении распространения световой волны. Был предсказан немонотонный характер частотной дисперсии недиагональной компоненты тензора магнитной проницаемости у ферромагнитных металлов в области частот межзонных переходов. Этот эффект не монотонности, обусловленный включением механизма спин-орбитального взаимодействия, пока не наблюдался. Сами по себе сведения о величине и частотной дисперсии магнитной проницаемости могут дать дополнительную информацию об электронной структуре и магнитных свойствах вещества.

1. Дальше в тексте будем обозначать экваториальные МОЭ в отраженном и прошедшем свете верхними индексами r и t соответственно.

Все это вызывает потребность в экспериментальных магнитооптических методах для прецизионных измерений величины μ _xy ферромагнетиков в области оптических частот. Применение эффектов Керра и Фарадея для этой цели (за исключением особых случаев¹) затруднительно и не может давать надежных результатов. Эти эффекты аддитивны по вкладам гидроэлектрического и гиромагнитного происхождения, причем последний ввиду его малости чрезвычайно слабо проявляется на фоне преобладающего пироэлектрического вклада.² Таким образом, особую важность имеют МОЭ, которые однозначно связаны с недиагональной компонентом тензора магнитной проницаемости и поэтому позволяют с наибольшей точностью определить ее величину и частотную дисперсию. В настоящее время известны только два таких эффекта. Это экваториальный эффект изменения интенсивности отраженного света при S - поляризации падающей волны [9], и экваториальный - эффект при прохождении света через экваториально намагниченную плевку [16]. Поэтому наблюдение последнего эффекта и экспериментальное изучение его свойств представляет значительный интерес.

Предсказанные в [16] экваториальные и эффекты характеризуются своеобразной зависимостью от угла падения света,

1. Например, если, в данной области частот Ɛ_xy = 0, что имеет место при измерении частотно независимого эффекта Фарадея [24].

2. Значение μ _xy, полученные в [25] для железа из данных по измерению эффекта Фарадея и полярного эффекта Керра в ближней ИК области спектра, на два порядка превосходят значения μ _xy, найденные в работах [13,14]. Такое значительное расхождение результатов указывает как раз на трудность выделения (в оптической области частот) гиромагнитных характеристик ферромагнетиков из эффектов вращения.

резко отличающейся от угловой зависимости аналогичных эффектов при отражении. Еще одна особенность экваториальных эффектов в прошедшем свете состоит в изменении их знака при обращении хода луча: если, например, эффект наблюдается на двухслойной системе - магнитная пленка, подложка, то при одинаковом угле падения и неизменном относительно лабораторной системы отсчета направления намагниченности эффекты при наблюдении их со стороны пленки или подложки равны по величине и противоположны по знаку.

Целью настоящей диссертационной работы является: наблюдение на пленках ферромагнитных металлов Fe, Co и Ni новых магнитооптических эффектов - нечетных по намагниченности экваториальных эффектов изменения интенсивности прошедшего света при P - и S - поляризациях падающей волны; излучение угловой зависимости и других особенностей этих эффектов; исследование с их помощью частотной дисперсии действительной и мнимой частей недиагональной компоненты тензора диэлектрической проницаемости пленок Fе; определение мнимой и действительной частей недиагональной компоненты тензора магнитной проницаемости. К целям работы можно отнести разработку оригинальной магнитооптической аппаратуры, позволившей обнаружить и исследовать указанные эффект, а также изучение возможности практического использования - эффекта для определения оптических характеристик пленочных систем.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе, имеющей в основном обзорный характер, систематически изложена теория нечетных экваториальных магнитооптических эффектов в отраженном и проходящем свете.

Во второй главе дано описание оригинальных магнитооптических установок, использованных в данной работе.

Третья глава посвящена изучению - эффекта и его особенностей на пленках Fe, Co и Ni. Определена угловая зависимость эффекта, исследована частотная дисперсия эффекта и недиагональной компоненты тензора диэлектрической проницаемости в видимой области для пленок Fe. Предложен новым способ определения показателя преломления прозрачных сред с помощью - эффекта.

В четвертой главе приведены результаты измерений гиромагнитных и эффектов на пленках Fe.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликована в работах [26, 27, 28, 29] и были доложены на Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Пермь, 1981) [30], (Донецк, 1985) [31].

Работа выполнена в лаборатории оптики металлов ИФИ УНЦ АН СССР.

ТЕОРИЯ ЭКВАТОРИАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: