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

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