1P
1
f f f
1S |
f |
|
f |
f |
1S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 H 0 |
а |
H 0 |
|
H 0 |
б |
H 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.20. Схемы энергетических уровней, демонстрирующие возникновение дисперсии магнитооптических эффектов: а) на оптическом переходе 1S0 1P1;
б) на переходе 1P1 1S0
Рис. 6.21. Два вида магнитооптической активности: а) диамагнитный переход, б) парамагнитный
По величине изменения обменного зеемановского расщепления линий поглощения можно определить величину эффективного обменного поля. Знак обменного поля связан с тем, будет увеличиваться или уменьшаться исходное расщепление. По силе осциллятора, определяемой по характеру дисперсии магнитооптических эффектов для волн левой и правой поляризации, можно судить о типе линий поглощения ("диамагнитная" или "парамагнитная") и сделать выводы о магнитном состоянии ферромагнетиков. Таким образом, можно заключить, что как эффект Зеемана в оптике, магнитооптические исследования — средство изучения и идентификации электронных энергетических уровней в изолированных и квазиизолированных атомах и ионах, составляющих твердое тело.
В случае ферромагнитных металлов ситуация более сложная: здесь уровни расширены в зоны. Физически появление магнитооптических свойств в металлах может быть связано с двумя микроскопическими механизмами: межзонным поглощением света и внутризонным ускорением свободных носителей. При межзонном поглощении света электроны переходят из заполненной зоны в пустую, а внутризонное поглощение представляет собой возбуждение электронов из занятых состояний вблизи уровня Ферми в ближайшие незанятые состояния внутри одной и той же зоны проводимости. Как и в случае ферродиэлектриков, можно говорить о переходах между подзонами левых и правых спинов, смещенных внутренним обменным полем на величину обменного взаимодействия. При исследовании процессов межзонных переходов в ферромагнитном никеле (в эксперименте наблюдается зависимость ка- кого-нибудь магнитооп-тического эффекта от энергии световых квантов) на физическом факультете МГУ, например, был обнаружен резонанс в спектре магнитооптического эффекта Керра, связанный с электронными переходами между обменнорасщепленными уровнями. Тем самым количественно была определена величина обменного взаимодействия в этом металле, составляющая 0,3 эВ. Значение этой величины является
352
общепризнанным и не подвергалось уточнениям свыше трех десятилетий. По интенсивности межзонных электронных переходов из занятых состояний 3d-зон левых и правых спинов в вакантные 4s-p состояния зоны
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
проводимости одновременно с об- |
|
|
|
менным расщеплением был опре- |
|
|
I |
делен параметр спин-орбитального |
|
|
|
взаимодействия, |
составляющий в |
|
|
y |
никеле ~ 0,07 эВ. |
|
|
|
|
H |
Таким образом, видно, что |
|
|
|
|
x |
магнитооптика |
позволяет |
опре- |
|
|
|
делить энергии |
важнейших |
для |
|
|
~ Hx |
ферромагнитных |
металлов |
взаи- |
|
|
|
модействий обменных, спин-орби- |
|
Рис. 6.22. Прецессия ве- |
тальных, |
энергии межзонных |
ин- |
|
r |
|
тервалов, |
эффективные |
массы |
|
ктора I в переменном |
|
магнитном поле ~ Hx |
электронов, исследовать структуру |
|
уровня Ферми и т.п. Можно утвер- |
|
|
|
ждать, что исследование магнитооптических эффектов - средство получения информации об энергети-ческом спектре электронов в ферромагнетике.
3. Прецессия вектора спонтанной намагниченности ферромагнетика. Известно, что вектор намагниченности ферромагнетика, как и электронные спины, связанные с обменным взаимодействием, под действием поперечного переменного магнитного поля начинает прецессировать около положения равновесия, которое задается направлением постоянного магнитного поля H (рис. 6.22). Амплитуда этой вынужденной прецессии при данной частоте переменного магнитного поля световой волной определяет магнитную восприимчивость .
Амплитуда (т.е. резкое увеличение поглощения энергии внешнего магнитного поля) максимальна при совпадении частоты переменного поля с частотой собственной прецессии - ферромагнитный резонанс. Величина амплитуды различна для элек-
тромагнитных волн различной поляризации. Как следствие этого различия - двойное лучепреломление, и на оптических частотах - магнитооптические эффекты. Отличие от предыдущих двух случаев в том, что в данном нет влияния намагни-
ченности на движение заряда (электронов), а имеет место не-
r
посредственное намагничивание полем H световой волны. Такая ситуация наблюдается в области некоторых частот в ферромагнитных полупроводниках. Эффекты намагничивания ферромагнетика магнитным полем световой волны обнаружены в МГУ Г.С. Кринчиком и М.В. Четкиным (зарегистрировано открытие), и можно считать опровергнутым вошедшее в учебники физической оптики утверждение, основанное на опытах Липпмана, что действующим вектором световой волны является ее электрический вектор, а не магнитный. В области некоторых частот в гиромагнитных средах, т.е. в средах, где
тензор магнитной проницаемости (а не тензор ) играет
основную роль в двойном лучепреломлении магнитоупорядоченного кристалла, действующим является магнитный вектор световой волны.
6.6.6. Магнитооптические устройства (визуализация доменной структуры, измерения МО параметров ферромагнетиков)
Самые простые и очевидные применения магнитооптических методов в технике и физике нашли при визуализации доменной структуры ферромагнетиков — доменов и доменных границ. Известно, что наиболее выгодное энергетическое состояние ферромагнетика достигается путем разбиения его объема на ряд областей с такими направлениями векторов намагниченности, часто антипараллельных, чтобы замкнуть магнитный поток внутри образца. В таком состоянии, в отсутствие внешнего магнитного поля, ферромагнетик оказывается в среднем размагниченным, с одной стороны, а с другой, намаг-
ниченность каждого домена становится максимальной. Переход от одного домена к другому, т.е. от направления вектора намагниченности одного домена к вектору намагниченности другого происходит не скачком, а постепенно, на протяжении переходного слоя или доменной границы, толщина которой достигает нескольких тысяч атомных слоев. Намагнитить образец можно, прилагая к нему магнитное поле, роль которого состоит в смещении доменных границ и увеличении объема областей с выгодным направлением намагниченности (по направлению магнитного поля) за счет доменов с противоположным направлением векторов намагничивания. В провзаимодействовавшем с ферромагнетиком поляризованном свете содержится информация и о магнитном устройстве образца — о его доменах, доменных границах, и об их динамике, отражающей процесс намагничивания ферромагнетика.
Физический смысл поляризации магнитной структуры понятен из рис. 6.18, 6.19 и еще раз на примере использования эффекта Фарадея поясняется рис. 6.23. Если имеются два домена с различными направлениями векторов намагничивания, то, измерив любой из магнитооптических эффектов, чувствительных к направлению вектора намагниченности, можно получить и видимую, и объективную цифровую информацию о магнитном состоянии ферромагнетика. В геометрии Фарадея (рис. 6.23 а) и геомет-рии меридионального эффекта Керра (рис. 6.23 б) плоскость поляризации световойrволны лучей, по-
павших на области с разным направлением I поворачивается в различные стороны на углы и в зависимости от на-
правления векторов намагниченности, т.е. свет, прошедший через домены или отраженный от них, оказывается поляризованным в разных направлениях. Анализатор, в зависимости от ориентации его плоскости поляризации, будет гасить одну часть светового луча сильнее, чем другую; интенсивность света окажется неодинаковой, и станет видна магнитная (доменная) структура образца. На экране или в фокальной плоскости
355
Э
|
|
|
А |
|
|
|
|
r |
E r |
|
|
|
|
E1 |
– + |
E2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
МП |
|
|
|
|
|
а |
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
П |
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
E |
|
E |
Г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
б |
k |
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.23. Физические принципы визуализации доменной структуры на основе эффекта Фарадея (а) и эффекта Керра (б): П, А – поляризаторы (стрелка указывает направление плоскости поляризации), МП – магнитная пленка, Э, Г– экран, глаз. Остальные обозначения — общепринятые
объектива различно намагниченные участки видны как участки различной яркости как в проходящем (рис. 6.23 а), так и в отраженном свете.
Если измерять каким-либо фотоэлектрическим методом сигналы, то можно получить данные о магнитном состоянии образца. Действительно, интенсивность светового потока, провзаимодействовавшего с образцом, пропорциональна разности площадей доменов, намагниченных в разных направлениях. При намагничивании образца площадь поверхности образца с выгодным направлением намагниченности увеличивается, с невыгодной ориентацией магнитных доменов сокращается. Намагниченность образца:
|
I Is 2 |
1 , |
(6.66) |
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
где Is – намагниченность насыщения каждого домена; |
1 |
и 2 – площади с расположением векторов намагниченно- |
сти в доменах по полю и против поля; |
1 2 - общая |
площадь засвеченного участка образца. В размагниченном состоянии 1 2 , в намагниченном до насыщения 1 и
2 0. Таким образом можно получить кривую намагничивания ферромагнетика I( H ) . Проводя размагничивание образца по стадиям от Hmax до Hi , получают петлю гистерезиса и определяют магнитные параметры образца Bs , Hc , , пря-
моугольность петли гистерезиса и т.д.
Фотографии участка пленки феррита-граната с лабиринтной, полосовой или цилиндрической доменными структурами приведены на рис. 6.24, а, б, в. При приложении внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси легкого намагничивания, проходит перестройка доменной структуры.
Рис. 6.24. Примеры доменных структур в тонкопленочных образцах феррит-гранатов: 1 – лабиринтной H 0
(а), H 0,7Hs (б), H Hs (в); 2 – полосовой (размагниченное состояние); 3 – цилиндрической
Hа Hб Hв , где Hв – поле коллапса
При этом домены, в которых направления Is совпадают с
направлением внешнего поля, расширяются, а домены с противоположной ориентацией сжимаются. По достижении некото-
рого критического поля Hs , называемого полем насыщения
полосовой или лабиринтной доменной структуры, домены с намагниченностью, направленной против внешнего поля, исчезают.
При перемагничивании образца синусоидальным магнитным полем петлю гистерезиса можно наблюдать на экране. При изменении температуры образца петля гистерезиса деформируется и исчезает в точке Кюри. Преимущество магнитооптических методов наблюдения доменной структуры ферромагнетиков перед другими методами (например, перед методом биттеровских порошковых фигур) в их высоком разрешении, практической безынерциальности, и, как отмечено выше, в возможности применения при низкотемпературных исследо-
ваниях, когда другие методы, такие как, тот же метод порошковых фигур, непригоден.
На рис. 6.25, 6.26 приведены схемы экспериментальных установок для наблюдения доменной структуры и измерения петель гистерезиса в пленках с перпендикулярной анизотропией (векторы намагниченности в доменах направлены перпендикулярно поверхности пленки). Основные узлы установки: источник света, намагничивающее устройство, образец и крепление образца, измерительный и обрабатывающий узлы. Источником света обычно служит компактная галогенная лампа накаливания, питаемая от стабилизированного источника, или маломощный лазер, или какой-либо другой специализированный источник. Образец размещается в соленоиде (в случае использования эффекта Фарадея) или электромагните (в геометриях Керра — при отражении света ферромагнитным зеркалом). Свет от источника формируется конденсором, проходит поляризатор, а затем концентрируется на образце и далее после прохождения анализатора (в эффекте Фарадея и меридионального эффекта Керра) фокусируется на фотоприемниках — фотоумножителе в видимом диапазоне спектра или фоторезисторе в ИК диапазоне длин волн. В случае наблюдения доменной структуры свет, минуя приемники света, поступает в поляризационный микроскоп или на вход обычного микроскопа и рассматривается на мониторе или на экране (на фотографии). Поворотом анализатора на необходимый угол достигается наилучший контраст изображения.
Намагничивающие устройства — это катушка магнитного поля или электромагнит, питаемые регулируемыми постоянным или переменным напряжениями от источника постоянного тока, или от усилителя мощности, на вход которого подается переменный сигнал от задающего генератора звуковой частоты. Световые сигналы провзаимо-действовавшего с образцом излучения, и их изменения, получаемые при модуляции внешнего магнитного поля, преобразованные в цепи приемников излучения в электрические, подаются на вход электронно -
измерительной схемы, состоящей из чувствительных приборов: электрометрического усилителя для измерения постоянной слагающей тока в цепи приемника излучения и селективного микровольтметра в соединении с синхронным детектором, настроенными на частоту модуляции поля в намагничивающих устройствах. Далее сигналы регистрируются цифровыми вольтметрами и выводятся через АЦП на персональный компьютер. В случае наблюдения доменной структуры и измерения кривой полевой зависимости какого-либо магнитооптического эффекта — кривой намагничивания тонкопленочного прозрачного образца с помощью эффекта Фарадея или поверхностного слоя образца — ферромагнитного зеркала — с помощью эффекта Керра — используется постоянное магнитное поле. При измерении петель гистерезиса и вообще магнитооптических эффектов и их частотной, полевой, ориентационной зависимостей — переменное поле.
О
Рис. 6.25. Экспериментальная установка для наблюдения доменной структуры и измерения эффекта Фарадея
