5.3 Прецессия вектора спонтанной намагниченности ферромагнетика на
оптических частотах
Известно, что вектор намагниченности ферромагнетика, как и магнитный момент изолированного атома, в магнитном поле прецессирует вокруг направления магнитного поля. При дополнительно воздействии переменного магнитного поля появляется вынужденная прецессия, амплитуда которой при данной частоте переменного поля определяет магнитную восприимчивость ферромагнетика, которая достигает максимума при совпадении частоты переменного поля с собственной частотой прецессии (явление ферромагнитного резонанса). Амплитуда вынужденной прецессии зависит от поляризации электромагнитной волны, что приводит, в общем случае, к двойному магнитному лучепреломлению, а на оптических частотах – к магнитооптическим эффектам. Характерная особенность этого механизма двойного магнитного лучепреломления (в отличие от механизмов, обсуждаемых в п.п.5.1, 5.2) состоит в том, что в данном случае мы имеем дело не с влиянием намагниченности на движение электрического заряда, а с непосредственным намагничиванием ферромагнетика магнитным полем электромагнитной волны. В диапазоне СВЧ этот механизм играет главную роль, а на оптических частотах он, как правило, дает пренебрежимо малый вклад.
Однако в областях прозрачности ферромагнетика в оптической области спектра, где вклад электрических дипольных переходов мал, указанный механизм может играть основную роль. Так, в ферритах-гранатах в ближней инфракрасной области спектра эффект Фарадея (
ф
α
) практически полностью определяется прецессией вектора спонтанной намагниченности, и из значений
ф
α
можно рассчитать магнитную восприимчивость ферромагнетика на оптических частотах.
16
17
5.4. Взаимодействие "спин-чужая орбита"
Недавно был установлен новый механизм магнитооптической активности магнитоупорядоченных кристаллов. Этот механизм действует в слабых ферромагнетиках.
Слабыми ферромагнетиками называют антиферромагнитные кристаллы, в которых магнитные моменты двух подрешеток (двух – в простейшем случае) не полностью скомпенсированы.
Это обусловлено тем, что магнитные моменты подрешеток направлены не точно антипараллельно, а слегка повернуты навстречу друг к другу. Угол поворота подрешеток меньше одного градуса, а значение появляющегося перпендикулярно оси антиферромагнетизма слабого магнитного момента
(изначально называемого паразитным магнитным моментом) не превышает сотых долей
μ
Б
. К слабым ферромагнетикам относится гематит (α-Fe
2
O
3
), ортоферрит иттрия (YFeO
3
), борат железа (FeBO
3
) и др. Особенность слабых ферромагнетиков состоит в том то, что несмотря на столь малое значение слабого магнитного момента (на 1 – 3 порядка меньше намагниченности подрешеток в ферро- и ферримагнетиках) магнитооптические эффекты в указанных материалах совпадают по порядку величины с магнитооптическими эффектами в классических переходных магнитных металлах, н апример, в чистом железе.
Взаимодействие "спин-чужая орбита" в указанных слабых ферромагнетиках возникает в результате совместного действия спин- орбитального взаимодействия в ионах железа и косвенного обменного взаимодействия между ионами железа. Это взаимодействие является парным, поскольку определяется электронными переходами в паре взаимодействующих магнитных ионов. Следовательно, взаимодействие "спин-чужая орбита" обусловлено антисимметричным парным обменно- релятивистским взаимодействием в магнитных ионах, поскольку при перестановке двух магнитных ионов взаимодействие "спин-чужая орбита" меняет знак, а спин-орбитальное взаимодействие имеет релятивистскую природу. Следует указать, что механизм магнитооптической активности, указанный в п.5.2, обусловлен взаимодействием спина магнитного атома с орбитальным моментом того же атома, а механизм "спин-чужая орбита" обусловлен взаимодействием спина одного магнитного иона с орбитальным моментом другого магнитного иона.
6.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Магнитооптическая измерительная установка позволяет регистрировать интенсивность света, отраженного от ферромагнетика при его перемагничивании. Блок-схема установки приведена на рис. 5.
Источником света (ИС) служит лампа накаливания, питаемая от стабилизированного источника. Свет от источника проходит через линзу Л
1
и поляризатор П
1
. С помощью линзы Л
1
свет фокусируется на поверхность ферромагнитного образца (О), закрепленного в зазоре электромагнита (ЭМ).
В качестве образца используется пленка железа. Отраженный от образца
свет проходит через анализатор П
2
и далее с помощью линзы Л
2
фокусируется на фотоприемник ФП. В качестве фотоприемника используется германиевый фотодиод. Поляризатор П
2
используется только для измерения поворота плоскости поляризации света в случае меридионального и полярного эффектов Керра. При измерении ЭЭК, МИЭ и ПИЭ анализатор не используется.
Рис.5. Блок-схема магнитооптической установки. ИС – источник света,
ИП – источник питания, Л
1
, Л
2
– линзы, П
1
– поляризатор, П
2
–
анализатор, ЭМ – электромагнит, О – образец, А – амперметр, ЗГ –
генератор звуковых сигналов, УМ – усилитель мощности, ФП –
фотоприемник, МВ – милливольтметр постоянного напряжения, СУ –
селективный измерительный усилитель, ФД – фазовый детектор.
Поскольку магнитооптические эффекты, наблюдаемые в отраженном свете, относительно малы (δ 10
–2
– 10
–4
), то измерение этих эффектов обычно проводят модуляционным методом. Преимущество данного метода заключается в том, что его применение позволяет устранить влияние колебаний интенсивности источника света, влияние флуктуаций фототока, и в силу того, что он является дифференциальным, чувствительность его увеличивается по сравнению со статическим методом на 2 – 3 порядка, то есть возможно измерение относительного изменения интенсивности отраженного света от перемагничиваемого образца вплоть до 10
-4
– 10
-5
Сущность применяемой методики заключается в следующем. Исследуемый образец с помощью электромагнита (ЭМ) перемагничивается переменным магнитным полем с частотой f = 80 Гц. Питание магнита осуществляется от генератора звуковых частот (ЗГ). Проходящий через электромагнит ток регистрируется амперметром (А). Изменение намагниченности засвеченного участка поверхности под действием периодически изменяющегося внешнего магнитного поля приводит к изменению интенсивности или плоскости поляризации отраженного света за счет магнитооптического эффекта. Это
18
изменение регистрируется фотоприемником. В цепи приемника излучения ( ФП) возникают два сигнала: постоянное напряжение U− , пропорциональное интенсивности света I0 , отраженного от образца в отсутствие магнитного поля, и переменное напряжение U∼ с частотой f, пропорциональное глубине модуляции интенсивности, отраженного от образца света Δ I за счет магнитооптического эффекта, возникающего при изменении намагниченности от М до – М под действием внешнего переменного магнитного поля. Постоянное напряжение U− измеряется милливольтметром постоянного напряжения (МВ), а переменное напряжение U - селективным усилителем ( СУ), с которого сигнал подается на фазовый детектор ( ФД). Роль детектора сводится к подавлению сигналов с частотой следования, отличающейся от частоты опорного сигнала, который подается с генератора (ЗГ), и регистрации изменения фазы сигнала. Принцип работы установки заключается в следующем. Для измерения тангенциальной (лежащей в плоскости пленки) составляющей намагниченности используются ЭЭК, МЭК и МИЭ. Переход от экваториального намагничивания образца к меридиональному осуществляется поворотом электромагнита с образцом на 90 о . Кроме того, при экваториальном и меридиональном намагничивании система может вращаться вокруг вертикальной оси, проходящей через центр образца таким образом, чтобы изменялся угол падения света на образец. Первоначально электромагнит располагают так, чтобы нулевая линия, нанесенная на шкалу, совпадала с направлением луча света. Отраженный от образца свет должен быть при этом параллелен падающему лучу. Если это условие выполняется, то по шкале можно производить отсчет угла падения света на образец. В случае ЭЭК и МИЭ намагничивание образца приводит к изменению интенсивности отраженного света. Так как образец перемагничивается переменным магнитным полем на звуковой частоте, то изменение интенсивности отраженного света, обусловленное магнитооптическими эффектами, происходит на той же частоте. Как описано выше, измерение переменной составляющей интенсивности отраженного света производится узкополосной регистрирующей системой, состоящей из селективного усилителя и фазового детектора, а постоянной составляющей – милливольтметром постоянного тока МВ. Измеряемый эффект, например ЭЭК, представляет собой отношение переменной и постоянной составляющих интенсивности отраженного света: oЭЭКIIΔ = δ . Селективный усилитель и фазовый детектор измеряют переменное напряжение на фотоприемнике U, пропорциональное IΔ , милливольтметром МВ измеряется напряжение, пропорциональное Iо. Искомый эффект определяется отношением oUU, т.е. oUU= δ . Так как селективным усилителем и фазовым детектором измеряется эффективное значение переменного напряжения, то для нахождения амплитуды нужно U умножить на 41 , 1 2 ≅ 19 Следовательно, oUU41 , 1 = δ В отличие от экваториального эффекта меридиональный эффект Керра представляет собой вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света при его отражении от намагниченного образца, поэтому для его наблюдения в оптическую схему установки дополнительно вводится анализатор (П 2 на рис.6). Анализатор в данном случае является преобразователем вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света в изменение его интенсивности, которое в дальнейшем регистрируется так же, как при экваториальном эффекте. Принцип преобразования вращения плоскости поляризации света в изменение его интенсивности поясняется на рис.6. Интенсивность Iо, прошедшего через анализатор света, в соответствии с законом Малюса определяется выражением , где I – интенсивность света, падающего на анализатор. Поворот плоскости поляризации на угол α приводит к изменению интенсивности γ 2 cos IIo= IΔ прошедшего через анализатор света, определяемому выражением ( ) γ α γ γ α γ α γ 2 sin cos sin 2 cos cos 2 2 1 IIIII= = − − = Δ (18) (см. рис 6а) или ( ) γ α γ γ α γ α γ 2 sin cos sin 2 cos cos 2 2 2 IIIII− = − = − + = Δ (19) (см. рис.6б). а б Рис.6. Схема наблюдения поворота плоскости поляризации света с помощью анализатора. П – положение главной оси поляризатора, А – положение главной оси анализатора, γ – угол между направлениями главных осей поляризатора и анализатора, α – угол поворота плоскости поляризации света; случаи а) и б) отличаются знаком угла поворота γ анализатора по отношению к поляризатору. Можно видеть, что при изменении знака угла γи неизменном угле поворота плоскости поляризации света α изменение интенсивности IΔ меняет знак. Отметим, что при γ = 0 (когда плоскости поляризации поляризатора и анализатора параллельны) IΔ = 0, т.е. изменение интенсивности света в этом случае в первом приближении по намагниченности отсутствует. Наибольшее 20 относительное изменение интенсивности света
o
I
I
Δ
=
δ
наблюдается, согласно уравнению (18), когда
1 2
sin
=
γ
, т.е. при γ = 45°. В этом случае
2 45
cos
2
I
I
I
o
o
=
=
α
α
I
I
I
o
=
=
Δ
90
sin
(20)
Так как
o
I
I
Δ
=
δ
, то получаем
α
δ
2
=
Используя измеренные экспериментально значения δ, можно определить угол поворота α:
2
δ
α
=
(21)
7.
ИЗМЕРЕНИЯ
ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ. Включить приборы тумблером "сеть" и дать им прогреться в течение 15-20 мин. Убедиться, что свет от источника падает на образец, а отраженный от образца свет попадает на фотоприемник.
УПРАЖНЕНИЯ
1. ЭКВАТОРИАЛЬНОЕ НАМАГНИЧИВАНИЕ ОБРАЗЦА
1.
Установить поляризатор на s– компоненту: 0° или 180° на лимбе поляризатора. Убедиться, что в этом случае перемагничивание образца не влияет на интенсивность отраженного света.
2.
Измерить ЭЭК (δ
Э
) для p– компоненты (90° на лимбе поляризатора) при изменении угла падения света φ от 20° до 70° через каждые 10° при токе в цепи электромагнита i = 0.05 А. Построить график зависимости δ
Э
= δ
Э
(φ).
3.
Измерить зависимость ЭЭК от силы тока в цепи электромагнита при изменении i от 0 до максимального значения (0.070 А) через каждые 0,005
А. Угол падения света выставить тот, при котором величина ЭЭК максимальна. Построить график зависимости ЭЭК от величины магнитного поля. При этом воспользоваться градуировочной кривой Н = Н(i), имеющейся в задаче.
2. МЕРИДИОНАЛЬНОЕ НАМАГНИЧИВАНИЕ ОБРАЗЦА
2а. МЕРИДИОНАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ КЕРРА
1.
Поставить анализатор. Установить угол падения света φ = 60°. Установить поляризатор на s – компоненту падающего света, а анализатор под углом
45° по отношению к поляризатору. Включить ток в цепи электромагнита, равный 0,07 А. Измерить МЭК при углах поворота анализатора на ±45°
21
22
относительно поляризатора. Убедиться в том, что измеряемый эффект изменяет знак, оставаясь при этом неизменным по величине.
2.
Установить плоскость поляризации анализатора параллельно плоскости поляризации поляризатора. Убедиться, что в этом случае величина эффекта равна нулю. Эти результаты доказывают, что в случае МЭК при намагничивании образца происходит вращение плоскости поляризации света, а не изменение интенсивности света, как в случае ЭЭК. В этом поможет убедиться схема, представленная на рис.4.
3.
Установить поляризатор на s – компоненту падающего света, а анализатор под углом 45° по отношению к поляризатору. Измерить величину меридионального эффекта Керра
δ при токе в цепи электромагнита, равном 0,07 А. Рассчитать значение
α, используя формулу
(21). Пересчитать значение
α в угловых градусах или минутах.
4.
Измерить зависимость МЭК от силы тока в цепи электромагнита при изменении i от 0 до максимального значения (0.070 А) через каждые 0,005
А. Построить график зависимости МЭК от величины магнитного поля.
Сравнить полевую зависимость МЭК с аналогичной зависимостью ЭЭК.
2б. МЕРИДИОНАЛЬНЫЙ ИНТЕНСИВНОСТНЫЙ ЭФФЕКТ
1.
Убрать анализатор. Установить p –компоненту падающего света с помощью поляризатора. Установить угол падения света на образец φ = 60°.
Установить ток в электромагните i = 0.07 А. Убедиться в том, что переменная составляющая интенсивности света равна нулю.
2.
Повернуть поляризатор на угол θ = 45°. Убедиться в появлении эффекта.
Установить поляризатор в положение θ = −45°. Убедиться в том, что эффект изменяет знак без изменения своей величины.
3.
Измерить зависимость величины МИЭ от угла θ, изменяя θ от s–
компоненты до −s– компоненты (от 0 до 180° на лимбе поляризатора).
Построить график зависимости МИЭ от угла поляризации света θ.
***. 1) Термин "ферромагнетик" используется в тексте в широком смысле: под ним понимаются все вещества, обладающие спонтанной намагниченностью (ферромагнетик, ферримагнетики, слабые ферромагнетики). 2) Под двойным магнитным лучепреломлением понимается различие комплексных показателей преломления iknn− = для света с различной поляризацией; где n, k – показатели преломления и поглощения света. Понятие двойного кругового преломления включает в себя не только условие n+ ≠ n– , но и условие k+ ≠ k– , т.е. круговой дихроизм; где n+, n– – показатели преломления, k+, k– – показатели поглощения для право– и левополяризованного света. 3) Поляризация света – физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, т.е. неэквивалентность различных направлений в плоскости перпендикулярной световому лучу. Виды поляризации – эллиптическая, линейная, круговая. Вид поляризации определяется формой кривой, по которой движется конец вектора Е световой волны: по эллипсу, прямой или кругу. 4) Под оптической областью спектра понимают ближнюю инфракрасную, видимую и ближнюю ультрафиолетовую области спектра (от 380—440 нм до 625—740 нм).Оптический диапазон длин волн ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой – микроволновым диапазоном электромагнитного излучения. ЛИТЕРАТУРА 1. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.: Изд. МГУ, 1985, глава 5. 2. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 3. Jacquet J.C., Valet T. // Magnetic ultrathin films, multilayers and surface // MRS Symp. Proc. 384 (1995) 477. 4. Быков И.Б., Ганьшина Е.А., Грановский А.Б., Гущин В.С., ФТТ 42, в.3 (2000) 487. 5. Лобов И.Д., Кириллова М.М., Ромашев Л.Н. и др., ФТТ 51, в. (2009) 2337. 6. Shalyguina E., Shin Kyung-Ho. J. Magn. Magn. Mater. 220 (2000) 167. 23 |
Скачать 0.52 Mb.