Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

- это фарадеевское вращение, или эффект Фарадея (ЭФ). Его замечательным свойством является изменение знака вращения и при изменении знака поля (линейный по полю эффект), и при изменении направления распространения света. Кроме того, в общем случае волны с противоположными круговыми поляризациями имеют разные показатели поглощения и будут поразному затухать. Разность в показателях поглощения является причиной так называемого магнитного кругового дихроизма

Само явление — это магнитный круговой дихроизм (МКД).

Направление световой волны (рис. 6.18,б) перпендику- r r

лярно вектору намагниченности (геометрия Фохта) ( k I ). В этой геометрии два направления являются выделенными: одно

волновому вектору k , другое - перпендикулярное вектору I и

r

волновому вектору k .

Свет, поляризованный на входе в кристалл в произвольном направлении, в кристалле может быть представлен как две волны с ортогональными поляризациями, которые рас-

пространяются с разными скоростями V|| и V и разными показателями поглощения k|| и k . После прохождения кристал-

ла линейно поляризованный свет становится, во-первых, эллиптически поляризованным. Величина эффекта за счет относительного фазового сдвига двух линейно поляризованных волн, носящего название эффекта Фохта или эффекта КоттонаМутона (ЭКМ) , оказывается пропорционален квадрату намагниченности, т.е. этот эффект является четным по намагниченности

341

~ (k -k||), ~I2 . (6.62)

Во-вторых, как и в случае распространения света вдоль намагниченности, при перпендикулярной геометрии намагниченность вносит разность фаз в коэффициенты поглощения с ортогональной линейной поляризацией

имеет место магнитный линейный дихроизм (МЛД), который является также эффектом второго порядка относительно намагниченности.

В металлических ферромагнетиках эффект Фохта, вследствие малости эффектов, практически никогда не реализуется. Чаще всего для изучения магнитных характеристик ферромагнетиков используется геометрия

эффекта Фарадея, в которой измеряются ф и ф . Если вектор

kсоставляет некоторый угол с вектором намагниченности, то

впроходящем свете также наблюдается ряд магнитооптических эффектов.

Отраженный свет используют для исследования непрозрачных образцов. В этом случае электромагнитная волна проникает в металл на глубину нескольких десятков атомных слоев, в видимом диапазоне длин волн порядка 70 – 100, или 200 – 300 Å, а затем, возвращаясь назад, содержит информацию как о магнитном состоянии металла, так и о некоторых параметрах его электронной энергетической структуры. Под магнитооптическими эффектами Керра понимают влияние намагниченности ферромагнетика на состояние поляризации или интенсивности, или фазы отраженного от поверхности образца света. Керр был первым,

342

ферромагнетиком. До недавних пор его имя было более известно в связи с открытым им годом раньше электрооптическим эффектом, состоящим во вращении плоскости поляризации света при прохождении его через оптически прозрачную среду за счет возникновения анизотропии в среде под действием внешнего электрического поля и проявлении двойного лучепреломления. В зависимости от геометрии расположения поверхности ферромагнитного зеркала по отношению к плоскости падения линейно поляризованного света, а также по направлению вектора намагниченности в образце различают три основных варианта эффекта Керра:

Полярное намагничивание – рис. 6.19, а. Вектор намагни-

r

ченности I перпендикулярен плоскости ферромагнитного зеркала и параллелен плоскости падения света. При перемагничивании магнетика и при нормальном падении ( ) света наблюдается полярный эффект Керра (ПЭК), состоящий: а) во вращении плоскости поляризации; б) в появлении эллиптичности отраженного от магнетика линейно поляризованного света.

параллелен и плоскости ферромагнитного зеркала, и плоскости падения света. При перемагничивании магнетика наблюдается меридиональный эффект Керра (МЭК), который выражается: а) во вращении плоскости поляризации; б) в появлении эллип-

параллелен плоскости ферромагнитного зеркала и перпендикулярен плоскости падения света. При перемагничивании наблюдается экваториальный эффект Керра (ЭЭК), выражающийся: а) в изменении интенсивности света; б) сдвиге фазы

343

линейно поляризованного света, отраженного магнитным кристаллом.

Ориентационный магнитооптический эффект. При пере-

ходе от геометрии ЭЭК к геометрии МЭК наблюдается также квадратичное по намагниченности изменение интенсивности отраженного от образца света. Этот эффект, названный ориен-

тационным магнитооптическим эффектом, нашел примене-

ние для изучения электронной структуры как непрозрачных, так и прозрачных ферромагнетиков.

Магниторефрактивный эффект (МРЭ) - это новый, обна-

руженный в последние годы прошлого века, магнитооптический эффект. Эффект в отличие от всех выше описанных не связан с электронными оптическими переходами обменно расщепленных левых и правых спиновых волн. Его источник - свободные носители в ферромагнитных материалах. Он является частотным аналогом магнитосопротивления и наиболее ярко проявляется в ИК диапазоне длин волн, по величине этот эффект в 50 – 100 раз больше, чем классические магнитооптические эффекты. МРЭ был обнаружен и исследован сначала в

Рис. 6.19. Магнитооптические эффекты Керра: а - полярный эффект Керра, б - меридиональный эффект Керра, в - экваториальный эффект Керра

344

многослойных металлических ферромагнитных структурах, а затем в нанокомпозитах ферромагнитный металл – диэлектрик, т.е. оказалось, что МРЭ свойственен низкоразмерным магнитонеоднородным средам. Исследования показывают, что эффект, как и гигантское (или туннельное) магнитосопротивление (ГМС или ТМС), квадратичен по намагниченности, имеет своеобразные частотную и полевую зависимости, наблюдается в материалах с определенной концентрацией магнитной и немагнитной фаз, зависит от структурных параметров составляющих компонентов. Поэтому МРЭ, полагают, может быть использован как в физических исследованиях для выяснения природы и построения картины происхождения туннельного магнитосопро-тивления, так и для неразрушающего оперативного контроля параметров вновь синтезируемых материалов с высокими значениями магнитосопротивления.

Итак, в случае ПЭК и МЭК для обеих компонент ли-

ны E лежит в плоскости падения света, s-волна - E направлен перпендикулярно плоскости падения света) наблюдается вращение плоскости поляризации падающего на образец линейно поляризованного света. В ЭЭК изменение намагниченности ферромагнетика практически (с точностью 10-6-10-5) не приводит к влиянию на отражение s – компоненты линейно поляризованного света, тогда как р – волна после отражения становится эллиптически поляризованной и изменяется ее интенсивность. Последнее свойство оказалось полезным как в экспериментальных исследованиях, так и в практических приложениях.

Отметим другие преимущества экваториального эффекта Керра. Исследования показали, что величина ЭЭК пропорциональна намагниченности, образец при этом намагничивается параллельно плоскости ферромагнитного зеркала и поэтому для намагничивания образца достаточно магнитных полей, сравнимых с его коэрцитивной силой. В случае ПЭК про-

345