Магнитооптический эффект Керра

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эффект Керра, или магнитооптический эффект Керра, — [1]магнитооптический эффект, заключающийся в том, что при отражении линейно поляризованного света от поверхности намагниченного материала наблюдается вращение плоскости поляризации света, а свет становится эллиптически поляризован.

Линейные по намагниченности эффекты, проявляющиеся при отражении света от поверхности намагниченного материала, объединяются общим названием — магнитооптические эффекты Керра. Различают три вида эффектов Керра в зависимости от взаимной ориентации намагниченности, направления распространения световой волны и нормали к поверхности образца. В общем случае линейно поляризованный свет после отражения от поверхности намагниченного материала будет эллиптически поляризованным; при этом большая ось эллипса поляризации повернётся на некоторый угол по отношению к плоскости поляризации падающего света, а интенсивность отраженного света изменится. Эффект Керра схож с эффектом Фарадея, описывающим изменение прошедшего через намагниченный материал света. Оба эффекта связаны с недиагональными компонентами тензора диэлектрической проницаемости , являющимися линейными функциями внешнего магнитного поля или намагниченности .

История[править | править код]

В 1876 году шотландский физик Джон Керр наблюдает вращение плоскости поляризации света, отраженного от полюса железного магнита[2]. Эффект, наблюдающийся в данной геометрии, получил название Полярного эффекта Керра.

В 1878 году Керр обнаруживает вращение плоскости поляризации при отражении от поверхности, намагниченной в плоскости распространения света [3]. В такой геометрии, когда плоскость падения параллельна намагниченности, эффект известен как Меридиональный эффект Керра.

В 1896 году Питер Зееман открывает Экваториальный эффект Керра, незадолго до этого теоретически предсказанный Виндом [4][5].

В 1955 году Петрос Аргурес публикует теорию [6], в которой объясняет возникновение магнитооптических эффектов Фарадея и Керра за счёт спиновой поляризации электронов и спин-орбитального взаимодействия.

К 1996 году была разработана методика расчёта эффекта Керра, позволяющая из первых принципов зонной теории предсказывать конкретный вид магнитооптических спектров в различных материалах.

В 1996 году, при отражении света от CeSb, Р. Питтини наблюдает наибольший эффект Керра, соответствующий теоретическому максимуму поворота плоскости поляризации на 90 градусов[7].

Геометрия наблюдения[править | править код]

MOKE.PNG

Полярный эффект Керра[править | править код]

В геометрии полярного эффекта Керра внешнее поле или намагниченность ориентированы нормально к поверхности образца и могут взаимодействовать со светом обеих (s и p) поляризаций. Наибольший эффект наблюдается при нормальном падении и описывается простым выражением [8][9], связывающим компоненты тензора диэлектрической проницаемости с измеряемыми на опыте вращением и эллиптичностью . Если магнитное поле направлено по оси z, то

где комплексный показатель преломления

Из приведённого выражения видно, что в непоглощающих средах, у которых тензор диэлектрической проницаемости содержит только действительные компоненты, поворот плоскости поляризации при отражении не наблюдается.

Полярный эффект Керра изменяется линейно с полем и вращение меняет знак при перемагничивании образца. Для неферромагнитных материалов этот эффект иногда называют «полярный эффект Фарадея в отраженном свете».

Меридиональный эффект Керра[править | править код]

В некоторых русскоязычных работах меридиональный эффект Керра называют продольным или меридиальным.

Вектор намагниченности лежит в плоскости отражающей поверхности и параллелен плоскости падения света. Наибольший эффект наблюдается при больших углах падения. При нормальном падении эффект не наблюдается.

Экваториальный эффект Керра[править | править код]

В некоторых русскоязычных работах экваториальный эффект Керра называют поперечным.

В экваториальном эффекте Керра вектор намагниченности перпендикулярен плоскости падения света и параллелен поверхности образца. Эффект проявляется только для компоненты поляризации, нормальной к намагниченности (p-компоненты) и равен нулю для света, поляризованного параллельно намагниченности (s-компоненты). Экваториальный эффект Керра является эффектом первого порядка по намагниченности. Его проявление заключается в изменении коэффициента отражения под действием намагниченности и, как следствие, в изменении интенсивности света и сдвиге фазы линейно-поляризованного света. Данный эффект может наблюдаться только для поглощающих материалов, то есть для материалов с ненулевой компонентой комплексной части тензора диэлектрической проницаемости. Для действительной части тензора диэлектрической проницаемости и для s-компоненты поляризации света может наблюдаться только более слабый квадратичный по намагниченности эффект.

Нелинейные по намагниченности эффекты[править | править код]

В дополнение к полярному, меридиональному и экваториальному линейным эффектам Керра, возможны квадратичные эффекты более высокого порядка, при которых угол поворота плоскости поляризации зависит от произведения намагниченностей в полярном, продольном и поперечном направлениях. Подобные эффекты, также иногда называемые квадратичными эффектами Керра, известны как эффект Фогта. (англ.) и эффект Коттона — Мутона

Магнитооптические среды[править | править код]

В зависимости от того, какое взаимодействие является определяющим, среди магнитооптических материалов выделяют два класса:

В первом классе материалов магнитооптические эффекты являются результатом прямого воздействия магнитного поля на орбитальное движение электронов (Зеемановское расщепление). К данному классу принадлежат диамагнетики и прозрачные твердые тела одноосной симметрии, в которых диамагнетизм всегда присутствует. Возникающие в них магнитооптические эффекты в общем случае очень слабы.

Ко второму классу магнитооптических материалов относятся ферромагнитные материалы и неметаллические парамагнетики при низких температурах. В них магнитооптические эффекты возникают за счёт влияния магнитного поля на спин-орбитальное взаимодействие. Так как спин-орбитальное взаимодействие в общем случае на 2-3 порядка больше, чем зеемановское расщепление, магнитное взаимодействие ориентированных спинов приводит к сильному воздействию на орбитальное движение электронов, которое значительно больше, чем прямое воздействие на него магнитного поля [8].

Отметим, что термины диамагнитный и парамагнитный являются условными [9], так как величина вращения плоскости поляризации, вызванная этими эффектами, может быть как положительной, так и отрицательной (в противоположность соответствующим магнитным восприимчивостям).

Полупроводники и неферромагнитные металлы образуют переходный класс между описанными выше. В таких средах некоторые из возникающих магнитооптических эффектов связаны только с орбитальными эффектами, в то время как другие связаны со спин-орбитальным взаимодействием. Однако, в этих материалах оба вклада в магнитооптические эффекты могут быть согласованы, и нет четкого различия, поэтому диэлектрическую проницаемость лучше описывать как функцию внешнего магнитного поля.

Описание[править | править код]

Макроскопическое[править | править код]

Конкретные свойства среды задаются видом тензоров диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости . В области оптических частот магнитная проницаемость стремится к единице, поэтому мы ограничимся рассмотрением тензора , однако в области низких частот приведённые ниже свойства справедливы и для .

В случае оптически изотропного ферромагнетика в магнитном поле, направленном вдоль оси z, тензор диэлектрической проницаемости можно записать в виде [9]:

где комплексный показатель преломления, — магнитооптический коэффициент.

Для произвольного угла падения магнитооптический эффект Керра ,

где и — измеряемые на опыте вращение и эллиптичность, запишется в виде:

В полярной геометрии

В меридиональной геометрии

Для p-поляризации перед корнем в числителе берётся знак "", для s-поляризации перед корнем берётся знак "—"

В экваториальной геометрии

Микроскопическое[править | править код]

Магнитооптические эффекты в ферромагнитных металлах вызваны не классическим закручиванием электронов силой Лоренца, а связаны с внутризонными и межзонными переходами. Причем внутризонные переходы определяют магнитооптические эффекты в области низких энергий, в то время как межзонные – в области высоких.

Внутризонный механизм связан со спин-орбитальным взаимодействием, которое вызывает асимметричное рассеяние электронов и нормальное рассеяние электронов, ассоциируемое с внутризонным поляризационным током, нормальным к вектору намагниченности и вектору движущегося электрона. Эти эффекты, в основном, определяются d- электронами, так как для них спин-орбитальное расщепление значительнее, чем для s- и p-электронов.

Межзонные поглощение в металлах ассоциируется с переходами с поверхности Ферми в вышележащую пустую зону или с переходом из нижележащей заполненной зоны на поверхность Ферми.

Применение[править | править код]

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Термин линейный применительно к магнитооптическим эффектам используют как для указания на линейную поляризацию падающего света, так и на то, что эффект линейно зависит от приложенного магнитного поля или намагниченности. Здесь имеется в виду линейный по намагниченности эффект.
  2. Kerr, John (1877). «On Rotation of the Plane of the Polarization by Reflection from the Pole of a Magnet». Philosophical Magazine 3: 321.
  3. Weinberger, P. (2008). «John Kerr and his Effects Found in 1877 and 1878». Philosophical Magazine Letters 88 (12): 897–907. Bibcode2008PMagL..88..897W.
  4. Zeeman, P. (1896). «Mesures relatives du phénomène de Kerr». Leiden Commun 29.
  5. Wind, C. H., 1896, Verhandl. Amsterdam Acad. 5, 91
  6. Petros N. Argyres (1955). «Theory of the Faraday and Kerr Effects in Ferromagnetics». Physical Review 97: 334.
  7. Pittini, R., J. Schoenes, O. Vogt, and P. Wachter. Discovery of 90 degree Magneto-optical Polar Kerr Rotation in CeSb // Phys. Rev. Lett.. — Vol. 77. — С. 944.
  8. 1 2 Писарев Р.В. Магнитное упорядочение и оптические явления в кристаллах. — С. 356-451. // Физика магнитных диэлектриков под ред. Г.А. Смоленского.
  9. 1 2 3 Zvezdin A.K., Kotov V.A. Modern magnetooptics and magnetooptical materials.

На русском языке[править | править код]

  • Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. — М.: из-во МГУ, 1985. — 336 с.
  • Смоленский Г.А. Физика магнитных диэлектриков.. — Л.: Наука. Ленинград. Отд., 1974. — 454 с.
  • Звездин А.К., Котов В.А. Магнитооптика тонких плёнок. — М.: Наука, 1988. — 192 с.
  • Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. — М.: "Мир", 1991. — 584 с.

На английском языке[править | править код]

  • Zvezdin A.K., Kotov V.A. Modern magnetooptics and magnetooptical materials. — Institute of Physics Publishing, 1997. — P. 404. — ISBN 9780750303620.
  • Magnetism Fundamentals I / Etienne Du Trémolet de Lacheisserie, D. Gignoux, Michel Schlenker. — Springer Science & Business Media, 2005. — P. 507. — ISBN 9780387229676.

Ссылки[править | править код]

  • yeh-moke (англ.) – Свободно распространяемая программа для расчёта эффекта Керра в многослойных тонких плёнках. Используется 4х4 матричный метод.
  • Kerr Calculation Applet (англ.) – Java-апплет для расчёта эффекта Керра в многослойных тонких плёнках.
  • Magneto-optical tutorial (англ.) - Онлайн пособие по оптическим и магнитооптическим эффектам.
  • Прозрачные магниты (магнитооптика)