Магнитооптика (магнетооптика). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитооптика (магнетооптика) - раздел оптики, изучающий явления, возникающие в результате взаимодействия оптического излучения с веществом, находящимся в магн. поле. Наличие магн. поля не только изменяет дисперсионные кривые коэф. поглощения и показателя преломления, но и приводит к появлению или изменению оптической анизотропии среды. Большинство магнитооптич. эффектов является прямым или косвенным следствием расщепления уровней энергии системы (снятия вырождения) во внеш. магн. поле. Непосредственно это расщепление проявляется в Зеемана эффекте - расщеплении в магн. поле спектральных линий оптич. переходов. Все др. магнитооптич. эффекты являются следствием эффекта Зеемана и связаны с особенностями поляризации оптич. переходов и с закономерностями распространения света в среде, обладающей дисперсией.

Формальное описание магнитооптич. эффектов основано на учёте влияния магн. поля на тензор диэлектрич. проницаемости среды

(магн. проницаемость на оптич. частотах обычно мало отличается от единицы). Если в отсутствие магн. поля тензор

симметричен

, то при наличии магн. поля Н тензор перестаёт быть симметричным

. При этом для прозрачной (непоглощающей) среды требование вещественности тензора

заменяется требованием лишь его эрмитовости:

. Из приведённых соотношений следует, что симметричная часть тензора

прозрачной намагниченной среды является вещественной, а антисимметричная - мнимой. Кроме того, вещественные компоненты тензора

должны быть чётными функциями напряжённости поля Н, а мнимые - нечётными. Т. о., линейная индуцированная полем добавка к тензору диэлектрич. проницаемости имеет форму антисимметричного тензора, к-рый, как известно, эквивалентен (дуален) аксиальному вектору. Соответствующий вектор наз. вектором гирации или вектором оптич. активности и описывает характерную круговую анизотропию намагниченных сред - неэквивалентность двух направлений вращения в плоскости, перпендикулярной полю. Эта специфика магнитооптич. эффектов определяется аксиальностью вектора напряжённости магн. поля.

Основные явления М. можно классифицировать по признаку взаимной ориентации волнового вектора светового излучения k и вектора магн. поля Н. При этом различают две геометрии расположения этих векторов: 1) свет распространяется вдоль поля:

(т. н. геометрия Фарадея) и 2) свет распространяется перпендикулярно полю:

(геометрия Фойгта). В геометрии Фойгта, соответствующей поперечному эффекту Зеемана,

компоненты магн. расщепления оказываются поляризованными линейно в плоскости, параллельной и перпендикулярной Н, а в геометрии Фарадея (продольный эффект Зеемана) наблюдаются лишь циркулярно поляризованные

компоненты с противоположными направлениями вращения.

В области поглощения оптич. анизотропия намагниченной среды проявляется, в первую очередь, в виде дихроизма - различия коэф. поглощения среды для двух ортогональных поляризаций. В геометрии Фойгта дихроизм определяется разл. поглощением компонент, линейно поляризованных параллельно и перпендикулярно магн. полю,- т. н. магнитный линейный дихроизм, а в геометрии Фарадея - разл. поглощением циркулярно поляризованных компонент (магнитный круговой дихроизм ).Эти эффекты, являющиеся поляризац. аналогами поперечного и продольного эффекта Зеемана, характеризуются определ. спектральной зависимостью, анализ к-рой позволяет определить величину и характер зеемановского расщепления в тех случаях, когда оно мало по сравнению с шириной спектральной линии.

В соответствии с Крамерса - Кронига соотношениями расщепление линий спектра поглощения связано с расщеплением дисперсионных кривых, характеризующих зависимость показателя преломления среды от длины волны излучения (см. Дисперсия света ).Индуцированная магн. полем оптич. анизотропия может обнаруживаться не только в области поглощения, но и в области прозрачности среды. При этом в геометрии Фойгта она проявляется в виде различия показателей преломления для двух линейно поляризованных компонент (магнитное линейное двупреломление), а в геометрии Фарадея - для двух циркулярных компонент (магнитное круговое двупреломление). Наиб. известен и широко применяется линейный по полю эффект магн. кругового двупреломления, проявляющийся в виде поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося через среду вдоль магн. поля (Фарадея эффект ).Квадратичный по напряжённости поля эффект магн. линейного двупреломления (Коттона - Мутона эффект)приводит к изменению степени эллиптичности распространяющегося через среду циркулярно поляризованного света.

Циркулярная анизотропия намагниченной среды в геометрии Фарадея объясняется тем, что действующее на среду магн. поле создаёт энергетич. неэквивалентность состояний с разл. собств. значениями оператора углового момента. В соответствии с отбора правилами по моменту импульса среда оказывается чувствительной к знаку проекции спина фотона на направление распространения, т. е. к знаку круговой поляризации света.

Квантовомеханич. рассмотрение позволяет выделить три осн. вклада в эффект магнитной круговой анизотропии: "диамагнитный", "парамагнитный" и "ванфлековский". Первый вклад, "диамагнитный", обусловлен зеемановским расщеплением спектральных линий в магн. поле. Он проявляется (в чистом виде) в полосах оптич. переходов из невырожденного изолированного состояния в состояние, расщеплённое магн. полем, и не зависит от температуры.

"Парамагнитный" вклад обусловлен различием ин-тенсивностей зеемановских компонент переходов, возникающим вследствие разной населённости магн. подуровней исходного состояния, имеющих (в условиях термодинамич. равновесия) больцмановское распределение населённости. На пропорциональности этого вклада намагниченности среды (см. Парамагнетизм)базируется использование М. для магн. измерений. Характер зависимости "парамагнитного" вклада от температуры и от магн. поля определяется соотношением между величиной магн. расщепления уровней осн. состояния

и тепловой энергией kT. В области малых магн. полей и(или) высоких температур

"парамагнитный" вклад линейно зависит от магн. поля и обратно пропорционален температуре (см. Кюри закон). В области низких температур и сильных магн. полей

"парамагнитный" вклад, подобно намагниченности, испытывает магн. насыщение. В простейшем случае двукратного вырождения осн. электронного состояния атома эта зависимость описывается функцией вида

Третий вклад связан со смешиванием разл. собств. состояний атома под действием магн. поля и (при смешивании подуровней основного состояния) пропорционален поляризац. компоненте намагниченности (парамагнетизм Ван Флека). Этот член магнитооптич. активности не зависит от температуры; зависимость появляется только в случае, когда оба смешивающихся состояния оказываются термически заселёнными.

Вклады в магн. круговую анизотропию от двух последних членов характеризуются, как правило, одинаковой спектральной зависимостью, и для их разделения используется различие динамич. свойств: "парамагнитный" член характеризуется конечной скоростью установления равновесного значения, к-рая совпадает со скоростью продольной релаксации намагниченности системы; "ванфлековский" член практически безынерционен (в масштабе времён, существенно превышающих обратную частоту магн. резонанса).

Исследования спектральных, температурных и полевых зависимостей магнитооптич. анизотропии парамагнитных сред с локализованными магн. моментами позволяют идентифицировать тип магнитооптич. активности, получить информацию о природе и магн. свойствах состояний, ответственных за оптич. переходы, о симметрии парамагн. центров в твёрдых телах, о характере электронно-колебательного и электронно-ядерного взаимодействия в системе (атоме, ионе) и т. д. При этом вклад "парамагнитного" типа несёт информацию о магн. свойствах осн. состояния системы, "диамагнитного" типа - и об основном, и о возбуждённом состоянии. Зависимость "ванфлековского" вклада от поля в малых магн. полях применяется для исследований сверхтонких взаимодействий: взаимодействий кристаллич. поля, межионного диполь-дипольного, обменного и т. д.

Оптич. анизотропия намагниченной среды проявляется при отражении света от её поверхности. Характер изменения поляризац. состояния света при отражении зависит от взаимного расположения поверхности, плоскости поляризации света и вектора намагниченности. Этот эффект наблюдается в первую очередь в магнитоупорядоченных средах (металлах и диэлектриках) и наз. магнитооптическим Керра эффектом.

Внеш. магн. поле влияет и на пространственные, поляризационные и временные характеристики вторичного свечения веществ (люминесценцию, комбинационное рассеяние, оптич. гармоники и т. д.). Один из таких эффектов М. обнаруживается в изменении диаграммы направленности и уменьшении степени поляризации свечения газов в слабых магн. полях. Это происходит вследствие изменения соотношения между периодом прецессии момента атома во внеш. поле и временем жизни возбуждённого состояния (Ханле эффект ).Изучение спектров поляризации вторичного свечения позволяет получать информацию о магн. расщеплении возбуждённых уровней в отсутствие разрешённой зеемановской структуры. Эффект комбинационного рассеяния света в намагниченном парамагнетике, сопровождающийся изменением проекции момента импульса парамагн. центра на направление поля, используется для регистрации намагниченности или для измерения спиновой температуры системы.

Магнитооптич. эффекты в кристаллах имеют ряд особенностей, обусловленных наличием в кристаллах собственных выделенных направлений и собственной анизотропии. При этом, напр., даже в оптически изотропных кубич. кристаллах при произвольной (относительно осей кристалла) ориентации магн. поля линейная анизотропия обнаруживается и в геометрии Фарадея, а для геометрии Фойгта в общем случае характерна эллиптич. анизотропия. Феноменология магнитооптич. эффектов в кристаллах существенно меняется при переходе из области линейной зависимости намагниченности от поля в область магнитного насыщения, где даже в кубич. кристаллах направление намагниченности перестаёт совпадать с направлением магн. поля.

М. полупроводников и магнитоупорядоченных кристаллов. Магнитооптич. свойства чистых полупроводников определяются делокализованными зонными и экси-тонными состояниями (см. Зонная теория, Экситоны). Плотность зонных состояний полупроводника во внеш. магн. поле приобретает осциллирующий, квазидискретный характер вследствие расщепления зон на системы квантовых подзон, отстоящих друг от друга на величину кванта

, где

- циклотронная частота. Осн. магнитооптич. эффекты в полупроводниках - циклотронный резонанс и осцилляции коэф. межзонного поглощения (т. н. осцилляциимагнитопоглощения), обусловленные прямыми электронными переходами между квантовыми уровнями валентной зоны и зоны проводимости. Осцилляции магнитопоглощения проявляются при сканировании частоты при заданной магн. индукции или при сканировании магн. индукции при фиксированной частоте.

Осцилляции коэф. поглощения полупроводника, находящегося в магн. поле, возможны также при непрямых переходах электронов (с участием поглощённого или излучённого фонона, необходимого для сохранения квазиимпульса при переходе), а также при запрещённых переходах, к-рые возникают при расщеплении валентных зон вследствие спин-орбитального взаимодействия. Эти эффекты используются для точного определения частот циклотронного резонанса электронов и дырок, для определения параметров зонной структуры полупроводников.

Квантовые подзоны испытывают в магн. поле дополнит. расщепление, обусловленное собственным спиновым магн. моментом электрона. При интенсивном лазерном возбуждении в полупроводнике можно наблюдать вынужденное рассеяние света на электронах проводимости, сопровождающееся переворотом спина. Поскольку величина спинового расщепления на подзоны для нек-рых полупроводников оказывается значительной, этот эффект используется для плавной перестройки частоты лазерного излучения с помощью магн. поля (напр., в комбинационных лазерах).

У магнитоупорядоченпых кристаллов (ферромагнетиков и антиферромагнетиков) магнитооптич. активность связана не только с антисимметричной частью тензора

(т. н. гироэлектрич. вклад), но и с антисимметричной частью тензора магнитной проницаемости

(гиромагн. вклад). В отличие от парамагн. сред, где магнитооптич. эффекты инициируются приложенным магн. полем, в магнитоупорядоченных системах магнитооптич. анизотропия определяется в первую очередь спонтанной намагниченностью и может обнаруживаться даже в отсутствие поля. В применении к ферромагн. металлам осн. методом магнитооптич. измерений служит магнитооптич. эффект Керра, а при изучении неметаллич. ферро- и антиферромагнетиков, среди к-рых известно значит. число прозрачных в видимой и близкой ИК областях спектра, используются все описанные магнитооптич. эффекты, наблюдаемые при распространении света через образец. При распространении света вдоль направления намагниченности магнитоупорядоченного кристалла осн. роль играют линейные (точнее, нечётные) по намагниченности магнитооптич. эффекты, а при поперечном распространении света - квадратичные (чётные). При этом в силу высокой степени намагниченности подрешёток в магнитоупорядоченных кристаллах чётные по намагниченности эффекты сопоставимы с нечётными.

Эффективность применения магнитооптич. методов к магнитоупорядоченным кристаллам определяется тем, что внеш. магн. поле, конкурируя с внутр. обменным полем (см. Обменное взаимодействие), способно повлиять на магн. состояние системы. Магнитооптич. исследования обменных взаимодействий, магн. фазовых переходов и магн. структуры упорядоченных кристаллов, требующие полей, сопоставимых по величине с эфф. внутр. полем (~10⁵ Э), часто проводятся с использованием мощных сверхпроводящих и импульсных магнитов.

Магнитооптич. эффекты в металлах, не прозрачных в видимой области спектра, исследуются гл. обр. в отражённом свете. Магнитооптич. эффекты для неферромагн. металлов имеют малую величину, но чрезвычайно важны для исследования ферми-поверхности металла.

Интересные и сильные магнитооптич. эффекты наблюдаются в жидких кристаллах (ЖК), состоящих, как правило, из диамагнитных молекул и обладающих сильной анизотропией магн. восприимчивости и электрич. поляризуемости. Хотя магн. восприимчивость молекул ЖК невелика, но из-за кооперативного характера отклика кристалла на внеш. магн. поле энергия магн. взаимодействия может оказаться достаточной для изменения характера его ориентационной упорядоченности. В свою очередь, изменение ориентационной структуры ЖК в силу сильной оптич. анизотропии молекул проявляется в магнитоиндуцированных изменениях величины и характера двупреломления. Сильные эффекты магнитоиндуцированной оптич. анизотропии проявляются в изотропной фазе ЖК, обнаруживая аномальный рост при приближении к точке фазового перехода.

Светоиндуцированное намагничивание. К М. относятся также эффекты, в к-рых оптич. излучение не только зондирует магн. состояние среды, но и активным образом меняет его. Эффекты такого рода могут наблюдаться при оптич. возбуждении намагниченной среды неполяризованным или поляризованным светом, вследствие, напр., фотоиндуцированного изменения концентрации парамагн. центров или в результате простого нагревания системы при поглощении световой энергии. Наиб. интересны эффекты изменения намагниченности твёрдого или газообразного парамагнетика под действием циркулярно поляризованного излучения - оптическая ориентация .Поглощение атомами циркулярно поляризованных фотонов приводит к возникновению или изменению намагниченности среды. Оптич. ориентация в принципе может возникать под действием излучения сколь угодно малой интенсивности при достаточно малых скоростях релаксации намагниченности.

Другого типа светоиндуцированное намагничивание прозрачной среды наблюдается при воздействии на неё мощного циркулярно поляризованного излучения. Термодинамич. рассмотрение этого эффекта показывает, что намагниченность среды создаётся вращающимся переменным электрич. полем, действующим подобно эфф. магн. полю: знак намагниченности определяется знаком циркулярной поляризации света. В нек-ром смысле этот эффект обратен эффекту вращения плоскости поляризации в магн. поле и поэтому его наз. обратным эффектом Фарадея. Он наблюдается лишь при амплитудах эл--магн. поля, при к-рых заметна роль нелинейной поляризуемости среды. Экспериментально этот эффект наблюдался в кристаллах с примесными парамагнитными центрами, а также в парах металлов.

Магнитооптическим можно также назвать предсказанный на основании электродинамич. рассмотрения эффект взаимодействия света с магн. полем в отсутствие среды, в результате к-рого возможно рождение фотоном электрон-позитронной пары. При энергиях фотона

(т₀ - масса покоя электрона и позитрона) эффект проявляется в виде рассеяния света на магн. поле, а при меньших энергиях - в виде магнитного двупреломления вакуума. Вследствие малой величины эффекта он пока экспериментально не наблюдался.

Исследование отклика вещества на приложенное переменное магн. поле позволяет получать информацию о магн. восприимчивости среды, к-рая, в свою очередь, содержит сведения о динамике парамагн. релаксации системы; об энергетич. структуре осн. электронных состояний магнетика, о взаимодействии парамагн. центров друг с другом и со своим окружением в диапазоне энергий зеемановского расщепления.

Магнитооптич. регистрация изменений намагниченности парамагнетика под действием резонансного СВЧ-поля используется как метод детектирования эффекта электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Оптич. регистрация ЭПР в возбуждённом электронном состоянии осуществляется, как правило, детектированием изменений поляризац. пространств. или спектральных характеристик люминесценции, сопровождающей дезактивацию этого состояния.

Применение лазерных поляриметров с чувствительностью к углу поворота плоскости поляризации ~(10^-6-10^-7) не только (на 3 - 4 порядка величины) повысило чувствительность магн. измерений, но н позволило обнаружить новые эффекты. Один из них - вращение плоскости поляризации света, распространяющегося во вращающейся среде,- т. н. "вращательное увлечение эфира". Эффект был предсказан ещё в 1885 Дж. Дж. Томсоном (J. J. Thomson). Хотя эффект проявляется без непосредственного участия магн. поля, его естественно отнести к М. по очевидным симметрийным соображениям, можно также сослаться на Барнетта эффект - возникновение намагниченности во вращающейся среде. Другой эффект - резонансное возрастание флуктуации фарадеевского вращения света, к-рый прошел через парамагн. среду, помещённую во внеш. магн. поле, на частоте магн. резонанса - магн. резонанс в спектре шумов эффекта Фарадея.

Магнитооптич. эффекты используются в устройствах записи и хранения информации (т. н. магнитооптич. диски), в системах управления лазерным излучением (для создания дефлекторов, оптич. затворов, для модуляции света и т. д.), при конструировании невзаимных оптич. элементов, лазерных гироскопов, элементов интегральной оптики и т. д.

Литература по магнитооптике

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.