Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

цесс намагничивания определяется величиной размагничивающего поля (образец намагничен перпендикулярно зеркалу образца), которое в этом случае велико и может достигать 4 Is. При экваториальном намагничивании размагничивающее поле близко к нулю, т.е. ЭЭК определяется целиком магнитным состоянием вещества. С помощью ПЭК можно измерить только одну характеристику материала - намагниченность насыщения. Применение же ЭЭК позволяет измерить все магнитные характеристики вещества, которые определяются из кривых намагничивания и петли гистерезиса. Все преимущества, касающиеся ЭЭК, можно было бы отнести и к МЭК. Но т.к. МЭК заключается во вращении плоскости поляризации падающего на образец света, то для его измерения необходимы два поляризатора. Применение же двух поляризационных элементов приводит к уменьшению интенсивности проходящего света, и, следовательно, к необходимости работать с меньшими детектируемыми сигналами. В ПЭК угол вращения плоскости поляризации достигает больших значений, но необходимы, как уже говорилось, большие поля для намагничивания. Но именно этот эффект используется в практических целях, в частности в узлах записи и считывания информации. Заметим также, что на величину ПЭК меньше влияния оказывает обработка поверхности образца в силу нормального падения света. Видно, что каждый эффект имеет свои достоинства и свои недостатки. В измерениях магнитных параметров ферромагнетиков (петли гистерезиса, коэрцитивной силы, остаточной намагниченности), чаще всего используется экваториальный магнитооптический эффект Керра.

6.6.4. Феноменологическое описание экваториального эффекта Керра

Различные магнитооптические эффекты должны быть связаны между собой, поскольку имеют единое происхождение. В феноменологической теории ищут решения

346

i2, для экваториального эффекта Керра получим следующие формулы:

где - угол падения света. На основе формул (6.65) можно определить недиагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости 1 и 2 , если известны оптические константы ферромагнетика и значения ЭЭК для двух углов падения света. И, наоборот, зная недиагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости и оптические постоянные кристалла, можно рассчитать величину экваториального эффекта Керра.

6.6.5. Механизмы магнитооптических явлений в ферромагнетиках

Физические причины, приводящие к магнитооптической активности (магнитному двупреломлению), в различных ферромагнитных материалах и различных оптических диапазонах могут быть различными. Назовем некоторые.

1. Движение носителей тока. В области длинных волн

(это инфракрасный диапазон спектра) объяснение на языке классической физики состоит в том, что при приложении магнитного поля к ферромагнетику (или вообще твердому телу) носители тока под действием силы Лоренца отклоняются. Это приводит к поперечной холловской разности потенциалов. То есть в этом случае (как и в случае статического эффекта Холла для электропроводности) в недиагональных компонентах тензора диэлектрической проницаемости появляются вклады, обу-

348

словленные намагниченностью ферромагнетика. В квантовомеханической трактовке холловская разность потенциалов в ферромагнетиках (так называемый ферромагнитный или необыкновенный эффект Холла) появляется из-за несимметричного рассеяния носителей тока с противоположными направлениями спинов в обменном поле ферромагнетика. На современном языке: движение носителей тока — это внутризонное ускорение свободных носителей, которым объясняются магнитооптические эффекты в ИК области спектра. Необходимо отметить, что и в классическом, и в квантовом описаниях показывается то, что энергия электрона практически не меняется, а скорость процессов переноса определяется частотой релаксации носителей тока. Поэтому данные магнитооптических исследований в этой области спектра дают существенную информацию о поверхности Ферми ферромагнитных металлов.

2. Межзонные электронные переходы. При увеличении частоты световых колебаний все большую роль начинает играть внутренний фотоэффект в твердотельных ферромагнетиках, или так называемые межзонные электронные переходы. Магнитооптические явления, как показано выше, описываются феноменологически тензорами диэлектрической и магнитной проницаемости или соответствующими поляризуемостями среды. Микроскопические механизмы формирования магнитооптической активности магнитных материалов довольно сложны, хотя, в принципе, полагают, что для многих веществ поляризуемость является суммой поляризуемостей их d и f ионов. Компоненты тензора диэлектрической проницаемости определяются энергией уровней (вернее разностей энергий уровней) основного и возбужденного состояний и вероятностями нахождения электрона на этих уровнях, или вероятностями перехо-

да fi .

Рассмотрим механизм появления магнитооптической активности ферромагнитного диэлектрика на простом приме-

349

ре оптического перехода атома из основного (невозбужденного) 1S0 – состояния в возбужденное 1P1 и, наоборот, из основного состояния 1P1 в возбужденное 1S0 (рис. 6.20). Результат такого перехода - линия поглощения. Под вли-янием внешнего магнитного поля H (или намагниченности I ) линия поглощения для право– и левополяризованных волн могут раздвинуться по частотам (рис. 6.20, 6.21, а) либо измениться по интенсивности (рис. 6.20, 6.21, б). В обоих случаях будет наблюдаться магнитное круговое двупрелом-ление света

n n n 0, наглядно иллюстрируемое рис. 6.21. Пер-

вый тип магнитооптической активности связан с обменным Зееман–эффектом (рис. 6.20, 6.21 а), заключающимся в расщеплении энергетических уровней, на которых происходят оптические переходы. (Обменный эффект Зеемана, в отличие от обычного расщепления атомных уровней в магнитном поле, — это увеличенный на 2–3 порядка интервал между зеемановскими компонентами электронных уровней в атоме или уровней атомных систем в ферромагнетиках). Расщепленные магнитным полем уровни невозбужденного атома, будучи подвергнуты действию света различной поляризации, будут поразному откликаться на эти различные возбуждения. Оптически изотропный ферромагнетик становится двупреломляющим кристаллом. Такая ситуация имеет место в 4f-редкоземельных соединениях (ферритах-гранатах, ортоферритах и других ферроокислах), где состояния 4f оболочки, благодаря хорошей экранировке электронами 5s2 и 5p6 состояний, соответствуют дискретным уровням, которые можно рассматривать как зеемановские подуровни, соответствующие различным ориентациям магнитного момента редкоземельного иона. Второй тип магнитооптической активности связан с изменением под дей-

ствием магнитного поля (или f и/или f для волн круговой

поляризации (рис. 6.20, 6.21 б). Сила осциллятора связана с заселенностью уровней основного (нижнего) мультиплета.

350