Магнитооптические эффекты

Под магнитооптическими явлениями понимают эффекты, которые происходят при взаимодействии света (электромагнитной волны) с веществом обязательно при наличии внешнего магнитного поля, не связанного с электромагнитным полем световой волны.

Если вещество помещено во внешнее магнитное поле, то, даже будучи изотропным при , оно становится анизотропным по отношению к внешним электромагнитным и другим воздействиям и его оптические свойства характеризуются тензорами диэлектрической () и магнитной () проницаемости (). Эти тензоры зависят от термодинамических величин, которые характеризуют состояние вещества, структуры и химического состава, а также от частоты внешнего электромагнитного поля и напряженностей внешних статических полей (магнитного и электрического). Зависимость диэлектрической и магнитной проницаемости от напряженности внешнего магнитного поля делает среду гиротропной, то есть такой, в которой показатели преломления ( и ) для циркулярно право- и левополяризованных волн становятся различными.

Пусть плоскополяризованная волна падает из вакуума нормально на плоскопараллельную гиротропную пластинку. Такую волну можно представить как сумму двух волн, поляризованных по кругу, с противоположными направлениями вращения Е₁ и Е₂. В любой момент времени эти составляющие образуют с плоскостью колебаний равные углы и в сумме дают вектор Е, который лежит в этой плоскости. Так как скорости распространения право- и левополяризованных волн различны () в силу различия и , то волна Е₁ будет отставать от волны Е₂, и по выходе из среды они дают снова плоскополяризованную волну Е, но с плоскостью колебаний , повернутой относительно начальной плоскости на угол в направлении вращения более быстрой волны. Это явление поворота плоскости поляризации плоскополяризованной электромагнитной волны после прохождения гиротропной среды называется эффектом Фарадея [13]. Угол удельного (на единицу длины) вращения вдоль направления волнового вектора равняется

. (5.65)

Для типичных ферритов он составляет десятки градусов на сантиметр.

Магнитооптический эффект Керра [14] заключается в том, что плоско поляризованный свет, отражаясь от намагниченного ферромагнетика, становится эллиптически поляризованным, при этом большая ось поляризации поворачивается на некоторый угол относительно плоскости поляризации падающего света. Фактически, магнитооптический эффект Керра это частный случай эффекта Фарадея, так как в этом случае происходит вращение плоскости поляризации части излучения в тонком поверхностном слое ферромагнетика.

Большое внимание к эффектам Фарадея и Керра связано с возможностями их применения в оптике и электронике, в частности для таких целей:

– определение эффективной массы носителей заряда и времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках;

– амплитудная модуляция лазерного излучения для оптических линий связи;

– изготовление оптических невзаимных элементов;

– визуализация доменов в ферромагнитных пленках;

– запись и считывание информации.

Контрольные вопросы и задачи

1 Что такое поляризация диэлектрика?

2 Назовите основные механизмы поляризации.

3 Что собой представляет поле Лоренца?

4 Объясните ход температурной зависимости диэлектрической проницаемости при разных механизмах поляризации.

5 Что такое электреты?

6 Назовите области использования электретов.

7 Почему сегнетоэлектрики имеют доменную структуру?

8 Что такое сегнетоэлектрическая точка Кюри?

9 В чем заключается прямой и обратный пьезоэффект?

10 Чем обратный пьезоэффект отличается от электрострикции?

11 Что называется намагниченностью вещества?

12 На какие классы делятся вещества по магнитным свойствам?

13 Что называется магнитным моментом атома?

14 Что характеризует фактор Ланде?

15 В чем заключается правило Хунда?

16 Объясните качественно явление диамагнетизма.

17 Объясните физическую природу парамагнетизма.

18 Что такое магнитный домен?

19 Что представляет собой ферромагнетик?

20 Из каких составляющих состоит энергия ферромагнитного материала?

21 В чем разница ферримагнетиков и ферромагнетиков?

22 Назовите основные параметры ферромагнитных материалов.

23 Объясните механизм ЦР.

24 Объясните механизм ЭПР.

25 Объясните механизм ЯМР.

26 Объясните механизм ферромагнитного резонанса.

27 В чем заключаются магнитооптические эффекты?

28 Назовите области применения магнитооптических эффектов.

Литература к главе

1. Уэрт Ч. Физика твердого тела [Текст]: пер. с англ. / Ч. Уэрт, Р. Томсон. – М.: Мир, 1966. – 568 с.

2. Орешкин, П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков [Текст]: учеб. пособие / П.Т. Орешкин. – М.: Высш. школа, 1977. – 448 с.

3. Вонсовский, С.В. Магнетизм [Текст]/ С.В. Вонсовский. – М.: Наука, 1971. – 1032 с.

4. Преображенский, А.А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы [Текст]: учебник / А.А. Преображенский. – М.: Высш. школа, 1972. – 288 с.

[1] Рудольф Юлиус Эммануель Клаузиус (нем. Rudolf Julius Emanuel Clausius, имя при рожд. – Рудольф Готтлиб (нем. Rudolf Gottlieb); 1822 –1888) – немецкий физик и математик. Благодаря его работам термодинамика получила окончательную разработку. Предложил одну из формулировок второго начала термодинамики, известную сейчас как формулировка Клаузиуса, доказал и несколько новых теорем в механической теории тепла, ввел понятие энтропии.

[2] Оттавиано Фабрицио Моссотти (1791– 1863) – итальянский физик.

[3]Хендрик Антон Лоренц (нидерл. Hendrik Antoon Lorentz; 1853 –1928) – выдающийся голландский физик. Работы по электричеству, магнетизму и оптике, кинетике, термодинамике, механике, статистической физике и гидродинамике. Его усилиями физическая теория достигла пределов, возможных в рамках классической физики, а идеи оказали влияние на развитие современной теории относительности и квантовой теории.

[4] Мототоро Егучи – японский физик

[5] Альфред Ланде (нем. Alfred Landé 1888 –1976) – немецкий физик, работавший в области квантовой теории и спектроскопии. Известен открытием g-фактора (фактора Ланде), объяснением эффекта Зеемана.

[6] Нильс Хенрик Давид Бор (дат. Niels Henrik David Bohr; 1885 –1962) – датский физик-теоретик, один из создателей современной физики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1922). Автор первой квантовой теории атома и активный участник разработки основ квантовой механики, внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

[7] Лев Давидович Ландау (1908–1968) – выдающийся советский физик-теоретик, академик АН СССР. Лауреат Нобелевской премии по физике «За пионерские работы в области теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия» (1962), медали имени Макса Планка. Области научных интересов: квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, физика космических лучей, гидродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра, физика элементарных частиц, физика плазмы и др.

[8] Поль Ланжеве́н (фр. Paul Langevin; 1872–1946) – французский физик, создатель теории диамагнетизма и парамагнетизма.

[9] Вейсс Пьер Эрнест (фр. Pierre Weiss Ernest; 1865 – 1940) – французский физик. Разработал феноменологическую теорию ферромагнетизма, предсказал и исследовал аномалию теплоемкости и магнетокалорический эффект в ферромагнетиках, установил закон зависимости магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры выше точки Кюри (закон Кюри – Вейсса). Автор гипотезы о существовании в ферромагнетиках внутреннего взаимодействия, обусловливающего спонтанную намагниченность. Предсказал существование кванта магнитного момента, назвал его магнетоном.

[10] Вольфганг Эрнст Паули (нем. Wolfgang Ernst Pauli; 1900 –1958) – австрийско-швейцарский физик. Ввел такое фундаментальное понятие квантовой механики, как спин элементарной частицы, предсказал существование нейтрино и сформулировал «принцип запрета» – принцип Паули, за что был удостоен Нобелевской премии по физике за 1945 год. Награждён медалью имени Франклина и медалью Макса Планка.

[11] Яков Григорьевич Дорфман (1898 –1974) – советский физик, специалист в области магнетизма, физики твёрдого тела и истории физики. Предсказал диамагнитный циклотронный резонанс в полупроводниках.

[12] Евгений Константинович Завойский (1907 –1976) – выдающийся советский физик-экспериментатор, первооткрыватель фундаментального явления – электронного парамагнитного резонанса. Открытие метода ЭПР привело к выдающимся успехам в физике магнитных явлений, физике твердого тела, физике жидкостей, химии, минералогии, биологии, медицине и других науках. На основе того явления создан квантовый парамагнитный усилитель, использующийся для осуществления дальней космической связи.

[13] Майкл Фараде́й (англ. Faraday;1791 –1867) – английский физик, химик и физико-химик, основоположник учения об электромагнитном поле. Обнаружил химическое действие электрического тока, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. Открыл электромагнитную индукцию. Установил законы электролиза, открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.

[14] Керр Джон (англ. John Kerr,1824–1907) – шотландский физик. Открыл электрооптический и магнитооптический эффекты, названные его именем.