Г.С. Кринчик - Физика магнитных явлений (1127398), страница 59

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 59)

Основным применением магнитооптических методов в физике магнитоупорядоченных кристаллов является исследование энергетического спектра магнитоактивных ионов в ферромагнитных и антиферромагнитных диэлектриках, а также изучение электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов. Собственно говоря, новый интенсивный этап в развитии магнитооптики ферромагнетиков и начался в 50-х годах с появления этого направления исследований, Дело в том, что «класснчсский» этап развития магнитооптики завершился в начале века созданием феноменологической теории магнитооптических эффектов для гнроэлектрической среды и ее экспериментальной проверкой на отдельных длинах волн в основном видимого диапазона света. Затем наступил длительный перерыв в развитии магнитооптических исследований магнитоупорядоченных кристаллов.

Вопрос о физическом применении магнитооптических методов для спектроскопии магнитных кристаллов был поставлен в связи с тем, что наиболее важные для ферромагнетизма межзонные интервалы, интервалы между энергетическими уровнями, обменные, спин-орбитальные расщепления уровней попадают как раз в оптическую область спектра, и это делает магнитооптические методы очень перспективными для изучения основных взаимодействий, ответственных за происхождение ферромагнетизма 1121.

Для этого пришлось измерить магнитооптические спектры магнетиков в широкой области частот инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов. Принципиальная сторона применения магнитооптических методов для указанных выше целей совершенно ясна. Это — обычная спектроскопическая методика: на кривых частотной зависимости самих магнитооптических эффектов или лучше иа определенных из иих кривых недиагоиальных компонент тензора е обнаруживают некоторые особенности, которые затем отождествляются с определенными оптическими переходами, допустимыми в рамках рассчитанных энергетических спектров кристалла. Г1ри сравнении с обычными оптическими магнитооптические методы имеют два существенных преимущества. Во-первых, магнитооптические методы чувствительны к знаку спина, т.

е., например, для ферромагнитного металла они в принципе позволяют выяснить, к какой спинозой подзоне относится данный переход. Во-вторых, магнитооптический метод является по существу своему дифференциальным ичи модуляционным методом измерения спектров, а дифференциальные методы имеют на два-три порядка бочьшую чувствительность в определении собственных частот, чем обычные статические. На рис.

5.22 приведена кривая частотной зависимости ориентационного магнитооптического эффекта, измеренная на поверхности (100) монокристалла никеля. На кривой видно большое количество особенностей, сравнительно узких и резких максимумов, смен знака эффекта и т. д. В связи с этим заметим. что до самого последнего времени высказывались мнения, что из оптических спектров металла нельзя будет извлечь никакой информации о его зонной структуре вследствие «размытия» спектров, возникающего благодаря тому, что каждой частоте соответствуют возможные оптические переходы в различных областях зоны Бриллюэна. Однако затем была обоснована возможность наблюдения особенностей, связанных с переходами в окрестности критических точек Ван-Хова, с переходами между «паралпельными» зонами, а также с началом или концом переходов к уровню Ферми.

Пример ориентационного эффекта является наиболее ярким в этом отношении. Оптические переходы, с которыми связан ориентационный эффект, «локализованы» в относительно узких частотных интервалах, поскольку поворот вектора 1 особенно сильно влияет на зонную структуру металла только в окрестности вырожденных энергетических зон, вырождение которых может быть снято спин-орбитальным взаимодействием, а таких мест в зоне Бриллюэна ие так уж много: это некоторые линии и точки высокой симметрии и некоторые тачки случайного вырождения — пересечения кривых Е(л) (см.

ф 2.7). Именно к последнему типу, повидимому, относятся переходы, связанные с двумя острыми макси-. мумами ориентационного эффекта, наблюдающимися при 0,3 и 1,1 эВ (рис. 5,22), причем первый из них непосредственно опреде- 338 ляет величину обменного расщепления Зг2-зон ферромагнитного никеля.

Для изучения электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов широко использовались также измерения экваториального эффекта Керра и определенные из магнитооптических измерений недиагональные компоненты теизора диэлектрической проницаемости. Рис. 5.22. Ориентадиопнмй магнитооптический эффект дли монокристалла % в плоскости (11О) при двух температурах На рис. 5.23 приведены частотные зависимости экваториального эффекта Керра для трех ферритов-гранатов в видимой и ультрафиолетовой области спектра.

Хотя наиболее интересные практические применения ферромагнитных диэлектриков ожидаются в их области прозрачности (см. пиже), исследование магнитооптических 339 12" эффектов отражения на этих же кристаллах представляет большой интерес. В этой области лежат первые разрешенные интенсивные оптические переходы, изучение которых должно привести к расшифровке электронной структуры ферромагнитных диэлектриков и к пониманию их магнитооптических свойств, в том числе и в области их прозрачности, т. е, в видимой и инфракрасной области спектра.

Например, если отождествить максимумы на кривых для стехиометрических ферритов-гранатов с первыми разрешенными молекулярно-орбитальными переходами в тетраэдрических комплексзх (рис. 5.23), то появляется интересная возможность объяснить происхождение аномального влияния диамагнитных ионов висмута на магнитооптические свойства ферритов-гранатов в инфракрасной области спектра.

Дело в том, что эффект Фарадея в иттриевом гранате в видимой и ближней инфракрасной областях определяется преобладанием вклада октаэдрической подрешетки ионов Ре'+ по сравнению с тетраэдрической. Резкое усиление магнитооптической активности тетраэдрических переходов при введении ионов висмута, которое видно на рис. 5.23, обеспечивает преобладание вклада тетраэдрической подрешетки и, таким образом, смену знака вращения плоскости поляризации и возрастание аф по величине.

Механизм усиления магнитооптической активности состоит, повидимому, в частичном включении бр-орбиталей ионов висмута (с аномально сильным спин-орбитальным взаимодействием) в молекулярные орбитали тетраэдрических комплексов РеОо, При дальнейшем увеличении содержания висмута даже магнитооптические эффекты отражения значительно возрастают, и это представляет практический интерес. Например, на гранате СаьвеВ1каоЧв,ваРео,веОм экваториальный эффект Керри в области 0,55 мкм достигает величины, соответствующей изменению интенсивности света на ГбвГв при изменении знака поля. Интересно, что намагниченность насыщения этого смешанного граната чрезвычайно мала — примерно в 50 раз меньше, чем у чистого иттриевого граната. Г1оиятно, что исследование магнитооптических спектров, подобных тем, которые изображены на рис. 5.23, в принципе позволяет получить информацию о других тетраэдрических и октаэдрических переходах в ионах Реет, а также наблюдать их изменение при переходе от одного магнитного кристалла, содержащего ионы Рев+, к другому.

Наиболее интересным и важным для магнетизма, как и в случае ферромагнитных металлов, является спектральное магнитооптическое определение величины обменного расщепления энергетических уровней магнитоактивных ионов. Можно назвать эту задачу также задачей наблюдения обменного Зееман-эффекта. Если Рис З 23.

Частотная зависимость экваториального эффекта Керра для ферритовгранатов пттрия, европия я висмутсодержащего граната УоооВ!ооореоОм(УВо) 12З) 341 редкоземельный или переходный ион находится в магнитоупорядоченном кристалле, т.

е. в некотором эффективном магнитном поле, то следует считать, что в оптическом отношении он должен дать картину Зееман-эффекта, однако с соответственно увеличенными на два-три порядка интервалами между зеемановскими компонентами. Очевидно, что обменный Зееман-эффект можно использовать для изучения энергетического спектра магнитоактивных ионов в магнитных кристаллах с таким же успехом, как и Зееманэффект в обычной оптической спектроскопии, с~~, гра4 слг РРР гРР -РРР— ЯРР Рис. 5.24, Форма полосы поглощения тр~:-~~рч иона Епа+ в Епареа01т для правов левополяривоваииого (а, б) света, в — вффект Фарадея в области атой полосы, пунктир — расчет по а, б ~29~ Поскольку продольность или поперечность эффекта Зеемана в данном случае определяется ориентацией вектора намагниченности, то он может также служить для изучения ориентации магнитных подрешеток ферримагнетика, На рис.

5.24 две циркулярно- поляризованные компоненты продольного обменного эффекта Зеемана в европиевом феррите-гранате соответствуют переходу тГо-ч-тЕ4 в ионах Ецв+, Интервал между интенсивными компонентами 3060 см ' и 3!55 см ' соответствует обменному расщеплению возбужденного уровня.

Если теперь к магнитному кристаллу приложить внешнее магнитное поле, то по величине изменения этого обменного расщепления можно непосредственно определить величину эффективного обменного поля, действующего на ион Ец'". Знак обменного поля определяется тем, увеличится или уменьшится обменное расщепление, Таким способом было измерено 342 обменное поле в европиевом и диспрозиевом гранатах, При Н= =25 кЭ расщепление перехода гРо гР, в ионах Еца+ уменьшилось с 92 да 80 см ', Следовательно, обменное поле направлено противоположно внешнему полю и величина его равна 220.~-30 кЭ. В ОуеРеаОм аналогичным методом получено значение Нио =!50~- -е-50 кЭ. Исследование температурной зависимости этого расщепления также подтвердило рассмотренную выше интерпретацию, поскольку расщепление линии гРо-эгР4 увеличилось на 30% в соответствии с намагниченностью подрешетки железа при переходе от комнатной температуры к Т=77'К.

Наличие обменного Зееман-эффекта непосредственно приводит„ как это видно нз рис. 5.24, к явлению циркулярного дихроизма при продольном намагничивании ферромагнетика. Если теперь по известным из эксперимента полосам поглощения й+1го) и и (гв) для циркулярно-поляризованных обменных компонент восстановить соответствующие кривые и+1го) и и 1го), то можно прямо рассчитать кривую дисперсии эффекта Фарадея в области данной линии поглощения, На рис.

Характеристики

Список файлов книги