Magneto-optisk Kerr-effekt

Inom fysiken är den magneto-optiska Kerr-effekten ( MOKE ) eller den ytmagnetoptiska Kerr-effekten ( SMOKE ) en av de magnetoptiska effekterna . Den beskriver förändringarna av ljus som reflekteras från en magnetiserad yta. Det används i materialvetenskaplig forskning i enheter som Kerr-mikroskopet, för att undersöka magnetiseringsstrukturen hos material.

Flera korn av NdFeB med magnetiska domäner synliggjordes via kontrast med ett Kerr-mikroskop.

Definition

Den magneto-optiska Kerr-effekten relaterar ljus som reflekteras från en magnetiserad yta och kan ändra både polarisation och reflekterad intensitet . Den magneto-optiska Kerr-effekten liknar Faraday-effekten , som beskriver förändringar av ljustransmission genom ett magnetiskt material. Däremot beskriver den magnetoptiska Kerr-effekten förändringar i ljus som reflekteras från en magnetisk yta. Båda effekterna härrör från de off-diagonala komponenterna i den dielektriska tensorn $\varepsilon$ . Dessa off-diagonala komponenter ger det magneto-optiska materialet en anisotrop permittivitet , vilket betyder att dess permittivitet är olika i olika riktningar. Permittiviteten påverkar ljusets hastighet i ett material:

$v_{p}={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon \mu }}}$

där $v_{p}$ är ljusets hastighet genom materialet, $\varepsilon$ är materialets permittivitet och $\mu$ är den magnetiska permeabiliteten; och sålunda varierar ljusets hastighet beroende på dess orientering. Detta orsakar fluktuationer i fasen av polariserat infallande ljus.

Denna effekt kvantifieras ofta i termer av dess Kerr-vinkel och dess Kerr-ellipticitet. Kerr-vinkeln $\theta _{k}$ är vinkeln som linjärt polariserat ljus kommer att roteras efter att ha träffat provet. Kerr-ellipticiteten $\epsilon _{k}$ eller $\eta _{k}$ (inte att förväxla med ellipticity från matematik) är förhållandet mellan semimajor och semiminor-axlar för elliptisk axel. polariserat ljus, genererat från reflektion av linjärt polariserat ljus.

Geometrier

magnetiseringsvektorns riktning med avseende på den reflekterande ytan och infallsplanet.

Polar MOKE

När magnetiseringsvektorn är vinkelrät mot reflektionsytan och parallell med infallsplanet kallas effekten för den polära Kerr-effekten . För att förenkla analysen, och eftersom de andra två konfigurationerna har försvinnande Kerr-rotation vid normal incidens, används vanligtvis nära normal incidens när man gör experiment i den polära geometrin.

Längsgående MOKE

I den longitudinella effekten är magnetiseringsvektorn parallell med både reflektionsytan och infallsplanet. Den longitudinella uppställningen involverar ljus som reflekteras i en vinkel från reflektionsytan och inte vinkelrätt mot den, som används för polär MOKE. På samma sätt blir linjärt polariserat ljus som infaller på ytan elliptiskt polariserat, med förändringen i polarisation direkt proportionell mot magnetiseringskomponenten som är parallell med reflektionsytan och parallell med infallsplanet. Detta elliptiskt polariserade ljus till första ordningen har två vinkelräta $E$ -vektorer, nämligen standard Fresnel-amplitudkoefficienten för reflektion $r$ och Kerr-koefficienten $k$ . Kerr-koefficienten är vanligtvis mycket mindre än reflektionskoefficienten.

Tvärgående MOKE

När magnetiseringen är vinkelrät mot infallsplanet och parallell med ytan sägs den vara i den tvärgående konfigurationen. I detta fall är det infallande ljuset inte heller normalt mot reflektionsytan utan istället för att mäta ljusets polaritet efter reflektion, mäts reflektiviteten ${\displaystyle r} .$ Denna förändring i reflektivitet är proportionell mot magnetiseringskomponenten som är vinkelrät mot infallsplanet och parallell med ytan, som ovan. Om magnetiseringskomponenten pekar till höger om det infallande planet, sett från källan, adderas Kerr-vektorn till Fresnel-amplitudvektorn och intensiteten hos det reflekterade ljuset är $|r+k|^{2}$ . Å andra sidan, om magnetiseringskomponentens komponent pekar till vänster om det infallande planet sett från källan, subtraherar Kerr-vektorn från Fresnel-amplituden och den reflekterade intensiteten ges av $|rk|^{2}$ .

Kvadratisk MOKE

Förutom den polära , longitudinella och transversella Kerr-effekten som beror linjärt på respektive magnetiseringskomponenter, finns det också andragradseffekter av högre ordning, för vilka Kerr-vinkeln beror på produkttermer som involverar de polära , longitudinella och transversella magnetiseringskomponenterna. Dessa effekter kallas Voigt-effekt eller kvadratisk Kerr-effekt. Kvadratisk magneto-optisk Kerr-effekt (QMOKE) finns stark i Heusler-legeringar som Co ₂ FeSi och Co ₂ MnGe

Ansökningar

Optiskt experiment för att observera den magnetoptiska Kerr-effekten

Mikroskopi

Ett Kerr-mikroskop förlitar sig på MOKE för att avbilda skillnader i magnetiseringen på en yta av magnetiskt material. I ett Kerr-mikroskop passerar det upplysande ljuset först genom ett polarisatorfilter , reflekteras sedan från provet och passerar genom ett analysatorpolarisationsfilter , innan det går genom ett vanligt optiskt mikroskop. Eftersom de olika MOKE-geometrierna kräver olika polariserat ljus, bör polarisatorn ha möjlighet att ändra polariseringen av det infallande ljuset (cirkulärt, linjärt och elliptiskt). När det polariserade ljuset reflekteras från provmaterialet kan en förändring i valfri kombination av följande inträffa: Kerr-rotation, Kerr-ellipticity eller polariserad amplitud. Ändringarna i polarisation omvandlas av analysatorn till förändringar i ljusintensitet, som är synliga. Ett datorsystem används ofta för att skapa en bild av magnetfältet på ytan från dessa förändringar i polarisation.

Magnetiska media

Magneto Optical (MO) Drives introducerades 1985. MO-skivor skrevs med en laser och en elektromagnet. Lasern skulle värma plattan över dess Curie-temperatur vid vilken punkt elektromagneten skulle orientera den biten som en 1 eller 0. För att läsa, drivs lasern med en lägre intensitet och avger polariserat ljus. Reflekterat ljus analyseras och visar en märkbar skillnad mellan en 0 eller 1.

Upptäckt

Den magneto-optiska Kerr-effekten upptäcktes 1877 av John Kerr .

Se även

^ Shinagawa, K. Faraday och Kerr verkställer i ferromagneter . SpringerLink. s. 137–177.
^ García-Merino, JA; et al. (2018). "Magnetoledningsförmåga och magnetiskt kontrollerad olinjär optisk transmittans i flerväggiga kolnanorör" . Optik Express . 24 (17): 19552–19557. doi : 10.1364/OE.24.019552 . PMID 27557232 .
^ Hamrle, J; et al. (2007). "Enorm kvadratisk magneto-optisk Kerr-effekt och magnetiseringsomkastning i Co ₂ FeSi Heusler-föreningen". J. Phys. D: Appl. Phys . 40 (6): 1563. arXiv : cond-mat/0609688 . Bibcode : 2007JPhD...40.1563H . doi : 10.1088/0022-3727/40/6/S09 . S2CID 6079803 .
^ Muduli, Pranaba; et al. (2009). "Studie av magnetisk anisotropi och magnetiseringsomkastning med användning av den kvadratiska magnetoptiska effekten i epitaxiella Co _x Mn _y Ge _z (111) filmer". J. Phys.: Kondens. Materia . 21 (29): 296005. Bibcode : 2009JPCM...21C6005M . doi : 10.1088/0953-8984/21/29/296005 . PMID 21828544 .
^ Kerr, John (1877). "Om rotation av polarisationens plan genom reflektion från en magnets pol" . Filosofisk tidskrift . 3 : 321. doi : 10.1080/14786447708639245 .
^ Weinberger, P. (2008). "John Kerr och hans effekter hittades 1877 och 1878" ( PDF) . Filosofiska tidskriftsbrev . 88 (12): 897–907. Bibcode : 2008PMagL..88..897W . doi : 10.1080/09500830802526604 . S2CID 119771088 . Arkiverad från originalet (PDF) 2011-07-18.

Vidare läsning

Zvezdin AK; Kotov VA (1997). Modern magnetoptik och magnetoptiska material . Institute of Physics Publishing. sid. 404. ISBN 978-0-7503-0362-0 .
Etienne Du Trémolet de Lacheisserie; D. Gignoux; Michel Schlenker, red. (2005). Magnetism Fundamentals I . Springer Science & Business Media. sid. 507. ISBN 978-0-387-22967-6 .

externa länkar

Kerr Calculation Applet – Java-applet, beräknar Kerr-vinkeln för flerskiktiga tunna filmer
yeh-moke – Fri programvara beräknar den magnetoptiska Kerr-effekten av flerskiktiga tunna filmer
MOKE Microscope – Magneto-Optical Kerr Effect Microscope [PDF: 3,2MB]
MOKE-handledning – En steg-för-steg-handledning om den longitudinella, polära och tvärgående magnetoptiska Kerr-effekten.
Bredbandsmagneto-optisk Kerr-spektroskopi

[1] Shinagawa, K. Faraday och Kerr verkställer i ferromagneter . SpringerLink. s. 137–177.

[2] García-Merino, JA; et al. (2018). "Magnetoledningsförmåga och magnetiskt kontrollerad olinjär optisk transmittans i flerväggiga kolnanorör" . Optik Express . 24 (17): 19552–19557. doi : 10.1364/OE.24.019552 . PMID 27557232 .

[3] Hamrle, J; et al. (2007). "Enorm kvadratisk magneto-optisk Kerr-effekt och magnetiseringsomkastning i Co ₂ FeSi Heusler-föreningen". J. Phys. D: Appl. Phys . 40 (6): 1563. arXiv : cond-mat/0609688 . Bibcode : 2007JPhD...40.1563H . doi : 10.1088/0022-3727/40/6/S09 . S2CID 6079803 .

[4] Muduli, Pranaba; et al. (2009). "Studie av magnetisk anisotropi och magnetiseringsomkastning med användning av den kvadratiska magnetoptiska effekten i epitaxiella Co _x Mn _y Ge _z (111) filmer". J. Phys.: Kondens. Materia . 21 (29): 296005. Bibcode : 2009JPCM...21C6005M . doi : 10.1088/0953-8984/21/29/296005 . PMID 21828544 .

[5] Kerr, John (1877). "Om rotation av polarisationens plan genom reflektion från en magnets pol" . Filosofisk tidskrift . 3 : 321. doi : 10.1080/14786447708639245 .

[6] Weinberger, P. (2008). "John Kerr och hans effekter hittades 1877 och 1878" ( PDF) . Filosofiska tidskriftsbrev . 88 (12): 897–907. Bibcode : 2008PMagL..88..897W . doi : 10.1080/09500830802526604 . S2CID 119771088 . Arkiverad från originalet (PDF) 2011-07-18.