книги из ГПНТБ / Физика магнитных диэлектриков

раллельно слабому ферромагнитному моменту к||с (для ортоферрита самария к||я).

Результаты измерения х показаны на рис. 5.13, а. Ошибка для X составляла примерно +0.25° и в то же время была значительно меньше для 8. Можно отметить, что эти параметры не сильно меняются в ряду кристаллов, одиако более внимательное рассмотрение показывает, что по мере уменьшения атомного номера редкой земли наблюдается уменынение^двупреломлеиия и увеличение х-\

Рлс. 5.12. Кристаллографическое двупреломлениѳ в ортоферритах.

С помощью выражений (5.95) можно извлечь из наб­ людаемых результатов удельное фарадеевское вращение. Это извлечение (рпс. 5.13, б) показывает, что для пттриевого и других редкоземельных ортоферритов, за исключе­ нием самариевого, удельный ЭФ в указанной области спектра мало меняется для различных кристаллов. По­ следнее, по-видимому, связано с тем, что основной причи­ ной вращения являются ионы трехвалентного железа.

Интересно отметить, что получаемое вращение в об-^ ласти спектра от 0.6 до 1.8 мкм в несколько раз больше, чем ЭФ в ферритах-гранатах, хотя намагниченность ор­ тоферритов примерно на порядок меньше, чем в гранатах. Кроме того, вращение в этих двух типах кристаллов имеет противоположный знак.

Изучение кристаллографического двупреломления по­ зволяет найти положения оптических осей ортоферритов,

410

при распространении света вдоль которых двупреломление отсутствует. В табл. 5.8 дано двупреломление и по­ ложение оптических осей для трех ортоферритов. Исполь­ зуя эти данные, можно приготовить такой срез кристалла,

а

Рис. 5.13. Эффект Фарадея в ортоферритах.

а — измеряемая величина; б — рассчитанное удельное вращение. 1 — среднее

• собственное вращение для Lu, Yb, Tm, E r, Ho, Y, Dy, Tb, Gd, Eu. 2 — соб­ ственное вращение для Sm.

когда двупреломление при распространении света пер­ пендикулярно пластинке равно нулю, а ЭФ определяется проекцией намагниченности на направление распростра­ нения света. Такие измерения позволяют непосредственно получить константы фарадеевского вращения [42]. Ин­ тересно, что в этом случае можно получить наибольший контраст между различно ориентированными доменами,

411

который будет определяться только удельным ЭФ без вме­ шательства двупреломления.

Не останавливаясь на деталях, укажем здесь на фунда­ ментальное исследование магнитооптических свойств фер­ ритов со структурой граната и ортоферритов в ультрафио­ летовой области спектра, выполненное методом полярного эффекта Керра [431.

Оптические явления в галогенидах хрома

Галогениды трехвалентного хрома имеют об­ щую формулу СгХ3, где X =С1, Br, I. СгС13 и СгВг3 кристал­ лизуются ниже примерно 238 и 400° К соответственно в структуре С3і, возможная кристаллографическая группа СгІ3 также С3;. Характерной чертой этой структуры яв­ ляются ковалентно-связанные «сэндвичи», в которых гек­ сагональная сетка ионов хрома лежит между двумя сло­ ями с плотной упаковкой из ионов галогенов. Каждый ион хрома находится в центре почти правильного октаэдра из шести ионов галогена. Точечная симметрия окружения хрома есть С3, но тем не менее кубический член является преобладающим в потенциале кристаллического поля.

Трибромид и трииодид хрома являются ферромагнети­ ками. Трибромид хрома — метамагнетик, но во внешнем поле в несколько килоэрстед он переходит также в ферро­ магнитное состояние. В табл. 5.9 приводим сводку ре­ зультатов по кристаллографическим и магнитным свойст­ вам этих трех кристаллов [44].

Оптическое поглощение галогенидов хрома дает струк­ туру, характерную для иона трехвалентного хрома в ок^

412

При распространении света вдоль оптической оси кри­ сталла и внешнем магнитном поле в этом же направлении тригалогениды хрома обнаруживают значительный круго­ вой дихроизм, т. е. различное поглощение для света с пра­ вой и левой кругойой поляризацией. МКД обнаружива­ ется как для некоторых линий поглощения, так и для края поглощения. Край поглощения оказывается значительно смещенным для света различной круговой поляризации: для CrClg смещение крайне мало, около 0, для СгВг3 оно составляет примерно 200 см-1 и дляСгІ3 — около 90 см-1. Это смещение приводит е огромному вращению плоскости поляризации света для этого класса соединений, рекорд­ ные значения для СгВг3 составляют, например, в зеленой области в минимуме поглощения при ѵ =20.000 см-1 около 130 000°/см, на краю^ноглощения наблюдалось враще­ ние ~600 000°/см.

Теоретический анализ ЭФ в трибромиде хрома пока­ зал, что край собственного поглощения можно связать с переносом электрона с орбиты брома на локализованную орбиту хрома. В свою очередь вращение плоскости поля­ ризации света обусловлено расщеплением возбужденных энергетических состояний спин-орбиталышм взаимодей­ ствием, а также тригоиальным кристаллическим полем.

В недавней работе [45] было выполнено детальное ис­ следование дисперсии ЭФ в области полос поглощения,

414

связанных с электронными переходами в Зй3-оболочке иона Сг3+, расщепленной кристаллическим полем в СгС13. Наблюдаемая дисперсия ЭФ в области полос поглощения достаточно сложна и вклады от отдельных линий перекры­ вались. Тем не менее авторам удалось предложить схему уровней, полученную с учетом тригоиального кристал­ лического поля и спин-орбитального взаимодействия, ко­ торая достаточно убедительно объясняет наблюдаемые линии поглощения и дисперсию ЭФ.

Магнитооптические явления

всоединениях двухвалентного европия

Кнастоящему времени наибольшие по абсолют­

X = 0 , S, Se и Те. Большинство этих соединений проявляет ферромагнитное упорядочение, в то же время они явля­ ются полупроводниками. Обменное взаимодействие может оказывать сильное влияние на энергетическую структуру этих кристаллов. Большой практический интерес к соеди­ нениям европия вызван в основном их необычайно боль­ шими магнитооптическими эффектами. Магнитные, элек­ трические и оптические свойства соединений европия де­ тально разобраны в работе [46].

Соединения ЕиХ кристаллизуются в кубической гра­ нецентрированной структуре типа NaCl. Параметры кри­ сталлических решеток вместе с рядом других сведений об этих кристаллах приведены в табл. 5.10.

Т а б л и ц а 5.10

Кристаллографические, магнитные н оптические характеристики халькогенпдов европия

415

С точки зрения магнитных свойств халькогениды ев­

рядоченной области обменное взаимодействие может быть охарактеризовано двумя обменными параметрами J x и /о, отражающими взаимодействие с первой и второй коор­ динационной сферой. При увеличении параметра решетки наблюдается уменьшение обменного взаимодействия по абсолютной величине.

Кристаллы ЕиО п EnS являются типичными ферромаг­ нетиками. В EuSe, где J x — в области температур от 2 .8 ° К до температуры Нееля 4.6—7° К наблюдается аптиферромагнитное упорядочение, но уже в полях порядка 0 . 1 кэ в нем появляется заметная результирующая намаг­ ниченность, а в полях выше 8 кэ магнитные моменты ориен­ тируются по полю. В ЕиТе наблюдается аитиферромагнитное упорядочение.

С точки зрения оптических свойств соединения европия характеризуются экспоненциальным поглощением, на­ чинающимся в видимой области спектра. Край поглощения смещается в сторону больших энергий в ряду от ЕиО к ЕиТе. Интересной особенностью халькогенидных соеди­ нений европия является большой красный сдвиг края по­ глощения при ферромагнитном упорядочении за счет по­ нижения температуры (рис. 5.15) или под действием упо­ рядочивающего магнитного поля (рис. 5.16) [47].

Вблизи края поглощения наблюдаются сильные маг­ нитооптические явления. Положение края поглощения различно для света с правой и левой круговой поляриза­ цией (следствием этого является вращение плоскости поля­ ризации света или ЭФ), а также для света, поляризован­ ного перпендикулярно и параллельно намагниченности (в результате чего возникает линейное двупреломление) [48 ].

Большие магнитооптические явления наблюдаются и при дальнейшем увеличении частоты, где из-за сильного поглощения исследования ведутся в основном на тонких пленках. Эти исследования показали [49], что край по­ глощения представляет собой низкочастотный хвост пер­ вой полосы поглощения Е х (рис. 5.17), максимум которой лежит в интервале энергий от 2.0 до 2.5 эв. Следующий хорошо выраженный максимум Е %лежит в области от 4.0 до 4,7 эв. При увеличении параметра решетки (т. е, при

416

уменьшении кристаллического поля) первый максимум смещается в сторону высоких энергий, а второй — в сто­ рону низких. Такое поведение позволяет связать эти мак­

ких температурах. Эта структура, наиболее вероятно, связана со спин-орбитальным расщеплением t2gи ед состоя­ ний, а при низких температурах и за счет обменного рас­ щепления. Значительно большее разрешение структуры полос может быть обнаружено по спектрам МКД или МЛД, или при изучении фарадеевского вращения и магнитного линейного двупреломлеиия. Все халькогениды характе­ ризуются близкими по общему поведению спектрами МКД, хотя имеются заметные различия в деталях. На рис. 5.18 в качестве примера показан спектр МКД для тонкой пленки ЕпТе на стеклянной подложке [50].

Дисперсионные эффекты, такие как ЭФ и ЭКМ, пред­ ставляют значительный интерес в областях прозрачности кристалла, в частности в видимой и ближней инфракрас-

417

Рис. 5.17. Спектры поглощения халькогѳнпдов еврОппя.

Р и с . 5.18. Спектр магнитного кругового дихроизма в пленке

ЕиТе.

ной областях. На рис. 5.19 показана полевая зависимость ЭФ (а) и ЭКМ (б) в монокристаллической пластинке EuSe толщиной 157 мкм при 4.2° К. Провалкривой в районе 5 кэ связан с перестройкой магнитной структуры. При при­ ближении к краю поглощения эффекты быстро возрастают. При А=0.755 мкм коэффициент поглощения кристалла со­ ставлял 45 см-1, т. е. отношение вращения к потерям равно

8507дв.

На рис. 5.19, б показано измерение линейного магнит-

Рис. 5.19. Эффект Фарадея (а) и Коттона—Мутона (б) в EuSe в зави­ симости от внешнего магнитного поля.

^ Т о л щ и н а кристалла 157 мкм, температура 4.2° К

иого двупреломлеиия или_ЭКМ кристалла EuSe (толщина 157 мкм) при 4.2° К. Мы видим, что при сравнительно не­ большом поглощении наблюдается очень сильный эффект A7z0M=n„- 77^ 1 0 -2. Это значение является рекордным из когда-либо наблюдавшихся в кристаллах.

Кроме соединений двухвалентного европия, кристал­ лизующихся в структуре поваренной соли, известны фер­ ромагнитные соединения с другими структурами [52]. Из них можно упомянуть силикат европия Ëu2Si04, ко­ торый является ферромагнитным ниже Тс = 7° К. Край поглощения кристалла расположен в зеленой области спектра. При комнатной температуре константа Верде этого материала весьма значительна: 2.5 мин./см-э при А=0.546 мкм, а экстраполированное значение вращения при насыщении должно составлять 76 0007см. Однако при синтезе этого кристалла встречаются серьезные тех­ нологические трудности. Кроме того, иизкая орторомби­ ческая симметрия кристалла не позволяет реализовать большой ЭФ из-за естественного двупреломлеиия.

419