книги из ГПНТБ / Физика магнитных диэлектриков

возникает магнитное двупреломлепие, вызванное устано­ влением магнитного порядка. Величина Д?іч составляет 1—2 -ІО-3. При температурах Нееля на кривых Дп (Т) наблюдается излом, он отчетливо виден на вставке рис. 5.33, показывающего температурное поведение двупреломления в MnF2. Температура излома (вторая ко­ лонка табл. 5.12) хорошо совпадает с, положением макси-

Рис. 5.33. Температурная зависимость двупреломленпя в MnF2.

Светлые кружки — М > расчет по формуле (5. 9(5); темные —

Ап, экспериментальные точки. Вверху показано изменение наклона кривой В Где.

мумов на кривой теплоемкости этих кристаллов. Резуль­ таты убедительно показали., что в случае MnF2 и, по-ви­ димому, NiF2 основной причиной аномальной температур­ ной зависимости двупреломлеиия является не спонтанная стрикция, а магнитное двупреломлепие. Из результатов видно, что ниже ТN все кристаллы, за исключением NiF2, остаются оптически одноосными. В NiF2, где вектор антиферромагнетизма лежит перпендикулярно тетраго­ нальной оси, наблюдалась небольшая двуосность с 2V Ä5 2° [89].

Температурная зависимость магнитного двупреломления, показанная на рис. 5.33 для MnF2, говорит о том, что оно сохраняется вплоть до температур порядка 2—3 Тn-

440

Это явление в работе [88] было связано с ближним маг­ нитным порядком.

Изучение анизотропии магнитного двупреломления показало, что в случае M(nF2 оно является изотропным и вызвано обменными членами. В случае CoF2 существенны

ианизотропные члены [88].

ВNiF2 изучался также магнитный линейный дихроизм при распространении света вдоль тетрагональной оси [911. Эффект оказался значительным для ряда полос поглоще­

ния в видимой области спектра (переходы 3А 2 -> 1Еа,

J l g ) '

Среди кристаллов другой структуры, в которых изу­ чалось магнитное двупреломлеиие или МЛД, можно от­ метить Мп\Ѵ04 [89], RbNiF3 [92], RbFeF3 [93], a-Fe,03 [94], KNiF3 [95].

§ 9. ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Магнитооптические явления находят самые разнообразные применения как в методах физического и спектроскопического эксперимента, так и для создания специальных приборов и устройств. Исследовайия по­ следних лет говорят о все возрастающей роли магнито­ оптических эффектов и материалов.

Экспериментальное использование магнитооптических явлений

Традиционное использование магнитооптиче­ ских явлений „заключается в изучении энергетического спектра кристаллов. Магнитное поле полностью снимает вырождение с электронных уровней и получаемая инфор­ мация зачастую является исчерпывающей. Особенно эф­ фективным оказываются методы кругового и линейного дихроизма в случае широких полос поглощения, когда изучение зеемановского расщепления уже оказывается невозможным. Подчас получают значения g-факторов для полос поглощения шириной в сотни и даже тысячи см-1. Метод МКД и МЛД оказывается также эффективным для разделения сложных полос, состоящих из отдельных перекрывающихся компонент, которые не удается разре­ шить даже при низких температурах.

Дифференциальные магнитооптические методы оказы­ ваются чувствительными при изучении очень слабых ли­ ний, с трудом наблюдаемых в поглощении, но легко обна­ руживаемых методами МЛД или МКД [95].

В магпитоупорядочешшх кристаллах имеется ряд интересных применений магнитооптических явлений. Так, используя необратимость фарадеевского вращения или магнитное двупреломление, можно наблюдать распределе­ ние намагниченности в прозрачных ферро-, ферриантиферромагпитных кристаллах [30]. Фарадеевское вра­ щение приводит к тому, что кристалл, помещенный между поляризатором и анализатором, будет выглядеть темным или светлым в противоположно намагниченных участках. Изучение доменной структуры возможно в скомпенсиро­ ванных антиферромагнетиках за счет магнитного двупреломления, нечувствительного к знаку поля или намагни­ ченности, но дающего различную фазу для света, прохо­ дящего через домены, где направления намагниченности отличаются на 90°.

Магнитооптические эффекты дают возможность изучать в кристаллах дефекты различного вида, например дисло­ кации и их взаимодействие с намагниченностью [871. Метод магнитного двупреломления оказался эффективным для изучения небольших кристаллографических искаже­ ний в идеальной кубической структуре ферритов-грана­ тов [96], по, конечно, он может быть использован и для других кристаллов.

Известно, что статические магнитные измерения не дают возможности разделить вклады в спонтанный маг­ нитный момент ферримагнетиков от двух или более маг­ нитных подрешеток. .Такая информация может быть получена методом ядерного магнитного резонанса или с по­ мощью эффекта Мёссбауэра. Кроме этого, изучать намагни­ ченности подрешеток можно и магнитооптическими мето­ дами, используя то обстоятельство, что неэквивалентные подрешетки имеют различные схемы электронных уровней и их вклад неодинаков по частоте. Этот метод может быть очень точным при изучении магнитооптических явлений в области отдельных электронных переходов той или иной подрешетки. Изменение с температурой МКД или МЛД выбранной линии дает непосредственно величину эффективного поля, действующего на ионы дайной под­ решетки.

442

Эксперименты [97] показали интересные возможности использования фарадеевского вращения для наблюдения магнитостатических спиновых волн. Эти опыты были осу­ ществлены с топкой пластинкой соединения СгВг3, имею­ щего большое вращение в видимой области спектра. Тон­ кий образец был помещен в волноводе так, что свет рас­ пространялся вдоль оптической оси, перпеидикулярпой к плоскости пластипки. Постоянное магнитное поле ле­ жало в плоскости пластинки, а фарадеевское вращение могло наблюдаться за счет проекции намагниченности на направление распространения света. В отсутствие СВЧ возбуждения эта проекция намагниченности равня­ лась нулю и скрещенные поляроиды, между которыми находился образец, гасили свет. При возбуждении ферро­ магнитного резонанса намагниченность прецессировала по эллиптической орбите вокруг постоянного поля и по­ являлась составляющая намагниченности на направление распространения света в отдельных участках образца. Это приводило к просветлению этих участков, количество просветленных участков зависело от величины постоянного поля. Монохроматический свет, падающий на образец, на выходе светлых участков оказывается промодулированным частотой ферромагнитного резонанса. Это было подтверждено прямым наблюдением с помощью интерферо­ метра Фабри—Перо боковых полос, отстоящих от несме­ щенной компоненты света на частоту резонанса [88].

Остановимся еще иа одном важном применении маг­ нитооптических эффектов, а именно на их использовании для изучения магнитных фазовых переходов. Это приме­ нение основывается на большой чувствительности оптиче­ ских методов, сравнительно.большой величине эффектов, их чувствительности к знаку и ориентации в кристалле намагниченности отдельных подрешеток и ряде других обстоятельств.

Впредыдущем параграфе мы уже писали о высокой точности определения температуры Нееля по дифференци­ альному изменению двупреломлеиия света в кристаллах со структурой рутила. Другой квадратичный эффект — МЛД был использован для точного определения Тм в куби­ ческом антиферромагнетике KNiF3 [95]. Очевидно, что эти методы могут быть применены и для других кристаллов.

Вмагнитоупорядоченных кристаллах наблюдаются своеобразные фазовые переходы, когда параметром упоря­

дочения может служить угол отклонения спонтанной на­ магниченности от какого-то выделенного в кристалле на­ правления [99]. В качестве примера можно указать точку магнитной компенсации в ферримагнетиках [100], пере­ ходы типа спип-флоп в антиферромагнетиках во внешнем поле, смену направления легкого намагничивания в орто­ ферритах при изменении температуры и др. В точке маг­ нитной компенсации изменение ориентации подрешеток на противоположное приводит к изменению зиака фарадеевского вращения [101 ]. В свою очередь переориентация подрешеток приводит к двойной смене знака магпитного двупреломления [102]. Эти методы использовались для изучения фазовой диаграммы ферритов-гранатов голь­ мия [103] и гадолиния [104, 105] в плоскости магнитное поле—температура, а также для наблюдения некоторых других явлений [106]. Упомяпем еще о магнитооптиче­ ском изучении перехода спин-флоп в аитиферромагнети-

ках MnF2 [73], FeC03 [75], FeCl2 [76] и NiCl2 [77], ре-

орпептационного перехода в гематите a-Fe20 3 [1021 и о наблюдении разворота спинов в аитиферромагнетике KNiFg под действием одноосного сжатия [95]. Можно надеяться, что развитие магнитооптических методов (по­ явление более интенсивных источников света, повышение чувствительности систем приема и обработки сигнала, синтез монокристаллов высокого оптического качества) приведет к их все более широкому использованию в физике магнитных явлений.

Практические применения магнптпых кристаллов

, Остановимся на некоторых вопросах примене­ ния магнитных материалов в различных приборах и устройствах. Интерес могут представить оптические устройства, использующие по аналогии с СВЧ диапазоном гиротропные свойства магнитных материалов в области оптических длин волн. Ведется разработка устройств памяти иа магнитных материалах, где также могут ис­ пользоваться гиротропные свойства, магнитное двупреломление или эффекты на отражение.

Рассмотрим кратко работу системы памяти па основе гранатов с точной магнитной компенсацией [107]. Инфор­ мация в этой системе накапливается в намагниченных пластинках гадолиниевого феррита-граната Gd3Fe60 12,

444

имеющего точку компенсации в районе комнатной темпе­ ратуры (от -|-9 до -j-18° С, по разным источникам). На­ магниченность каждой пластинки может устанавливаться

Рис. 5.34. Магнитооптические устройства на оспове прозрачных магнитных кристаллов [30].

а — фазовращатель, б — изолятор, в — циркулятор, г — моду­

лятор, Ѳ — переключатель.

параллельно или антипараллельно лучу считывающего лазера, что даст различный сигнал благодаря необрати­ мости фарадеевского вращеиия. «Перезапись» достигается нагреванием выбранной пластинки с помощью более мощ­ ного записывающего лазера, который нагревает пластинку на несколько градусов выше точки компенсации и неболь­ шое внешнее поле может перемагнитить данную пластинку. Другие пластинки при этом не перемагничиваются, так как они находятся при более низкой температуре, где имеется максимум коэрцетивной силы. По оценкам в устройстве такого типа могут использоваться пластинки толщиной

445

ляют около 10 мксек., перемагиичивание также требует промежутка времени в несколько мксек. Хотя это устройство и не обеспечивает большой скорости записи, оио позволяет получать сравнительно высокую плотность и возможность быстрого и иеразрушающего считывания информации.

Высокая прозрачность иттриевого феррита-граната в ближней инфракрасной области спектра позволила создать эффективный фарадеевский модулятор интенсив­ ности на основе этого кристалла [108]. Модулятор работал на длине волны гелий-неопового лазера ). =1.52 мкм, что попадает в область прозрачности. Модулирующий элемент был изготовлен в виде тонкого длинного цилиндра (длина 1 см, диаметр 0.5 мм) из монокристалла иттріш-железо- галлиевого граната. При модулирующей мощности 0.086 вт была получена глубина модуляции 20% при ши­ рине полосы 200 Мгц и вносимых потерях 0.25 дв. Описа­ ние других типов модуляторов было дано также в работах [98, 109, 110]. Недавно был предложен модулятор на ви­ димую область спектра на пленке феррита-граната [111].

в этом кристалле, допированпом редкоземельными ионами туллия, эрбия и гольмия, вынужденное излучение па длине волны около 2 мкм [112]. Изменяя внешним нолем ориентацию намагниченности в образце, удалось менять частоту излучения. В таком устройстве -имеется также возможность амплитудной модуляции за счет изменения гиротропных свойств.

Некоторые другие типы оптических устройств можно видеть на рис. 5.34. Рис. 5.34, а показывает невзаимиый переменный циркулятор. Меняя проекцию намагничен­ ности на направление света, можно менять плоскость поляризации проходящего света. На, рис. 5.34, б пред­ ставлена схема устройства, действующего, как изолятор. Он пропускает свет только в одном направлении.

446

1966.

30.J. F. D i 1 1 о n. Jr. in Magnetic Properties of materials, ed. J. Smit, McGraw Hill, 1971.

31.M. В. Ч е т к и й , A. H. Ш а л ы г и и. ЖЭТФ, 52-, 882,

447

46.3. М е т ф е с с е л ь , Д. М а т т и с . Магиитиые полупровод-

ппки. «Мпр», М., 1972.

47.G. B u s c h , Р. W a c h t e г. Phys. Kondens. Mat., 5, 242,

448

J.Appl. Phys., 40, 1336, 1969.

82.J. F. D i 1 lo n. Jr., J. Appl. Phys., 29, 1286, 1958.

449