§ 1.15. Магнитооптические эффекты

Магнитооптические эффекты (МО-эффекты) возникают при взаимодействии электромагнитной волны оптического диапазона с веществом, помещенным во внешнее магнитное поле. Особый интерес представляют МО-эффекты в магнитоупорядоченных кристаллах при прохождении через них или отражении от их поверхности оптического излучения.

Воздействие поляризованной световой волны на магнитоупоря-доченный кристалл приводит к изменениям характера распространения света в кристалле и параметров световой волны; к повороту плоскости поляризации, появлению эллиптичности, изменению интенсивности света. Это объясняется наличием у магнитоупорядоченных кристаллов в общем случае двух видов оптической анизотропии. Естественная оптическая анизотропия, присущая любому кристаллу, проявляющаяся в зависимости оптических свойств от кристаллографических направлений, связана с симметрией элементарной кристаллической ячейки. Вещества с низкой симметрией ячейки являются резко анизотропными. Немагнитный кубический кристалл оптически изотропен.

Другой вид анизотропии, присущий только магнитоу.порядочен-ным кристаллам, обусловлен внутренним анизотропным обменным взаимодействием, энергия которого зависит от взаимной ориентации магнитных моментов атомов в веществе и от их ориентации относительно кристаллографических осей. Этот вид анизотропии тесно связан со спонтанной намагниченностью внутри кристалла и внешним магнитным полем, изменяющим намагниченность вещества.

Виды магнитооптических эффектов зависят от оптических свойств кристалла (коэффициентов поглощения, преломления, отражения), направления световой волны и ее ориентации относительно вектора намагниченности, а также от спектра * оптического излучения.

Различные МО-эффекты имеют единую природу, связанную с расщеплением энергетических уровней, между которыми происходят оптические переходы, и с изменением силы переходов, причем правила отбора для этих переходов определяются поляризацией световой волны.

Падающая электромагнитная волна в видимом и ультрафиолетовом диапазонах частот вызывает интенсивные электрические ди-польные переходы. В этом случае вещество, взаимодействующее практически только с электрическим вектором световой волны, называют гироэлектрическим.

Его магнитооптические свойства описывают с помощью тензора

диэлектрической проницаемости е. В области далекого ннфракрас-

* К оптическому излучению относятся электромагнитные волны длиной Х=0,1 hm-hl мм, т. е. не только видимый свет, но инфракрасное и ультрафиолетовое нз.чучение.

ного диапазона частот, где появляются спиновые резонансные эффекты, происходит взаимодействие кристалла с магнитным вектором световой волны, при котором имеют место магнитные диполь-ные переходы. В этом случае вещество называют гиромагнитным и

- *г*

описывают его свойства тензором магнитной проницаемости р.

Существуют бигиротропные вещества, свойства которых на опре-

<-> доделенных частотах определяются обоими тензорами е и р.

Если вещество изотропно или кристаллизовано в виде ячейки

куба, то тензоры вир представляют собой антисимметричные тензоры второго ранга с одной комплексной недиагональной компонентой [3.5]. При намагниченности происходит изменение компонент

£ И р, причем их связь с намагниченностью устанавливается с помощью Q и М комплексных МО-параметров, модули которых пропорциональны намагниченности (напряженности), а фаза изменяется «а п радиан при изменении направления намагниченности на

противоположное. Диагональные компоненты е тензора е являются функциями магнитооптического параметра Q. Диагональные компоненты р тензора р являются функциями магнитооптического параметра М. В отсутствие намагниченности е=ео, р=ро- При 7=50 «=ео (l-hf-iQ), р=ро (1+[2Л1), где fi и [2 - коэффициенты.

Воздействие намагниченности на световую волну может привести к динамическим и статическим магнитооптическим эффектам. Динамические МО-эффекты (неупругое рассеяние света на спиновых волнах) заключаются в модуляции электрической и магнитной проницаемости кристалла под действием переменной намагниченности в спиновой волне [1.17].

Статические МО-эффекты включают в себя эффекты Фарадея, Коттона - Мутопа, Керра и др. [1.3, 1.17].

Эффект Фарадея. Под эффектом Фарадея в общем случае понимают поворот плоскости поляризации и появление эллиптичности световой волны при прохождении через «амагниченную среду первоначально линейно поляризованного света.

В 1846 г. при пропускании через вещество, помещенное в магнитное поле, поляризованного в направлении поля пучка света Фа-радей установил, что плоскость поляризации света повернулась на угол

р=Квс1Н, (1.227)

где Кв - постоянная Верде; d - толщина слоя вещества.

Аналогичные явления наблюдаются при прохождении линейно поляризованного света через магнитоупорядоченные кристаллы, если направление распространения падающей световой волны, характеризуемое вектором к, совпадает с направлением намагниченности (рис. 1.62, с).

Магнитооптические процессы, происходящие при этом в кубическом кристалле, полностью описываются с макроскопической точки

зрения общими дифференциальными уравнениями теории электромагнитного поля (уравнениями Максвелла), решение которых позволяет определить выражение для волны на выходе кристалла.

Проходя через намагниченный кристалл (оптически анизотропную среду), падающая волна разбивается на две волны, поляризованные по кругу в противоположных направлениях и распространяющиеся с разными скоростями. Эти волны с левой (-) и правой ( + ) поляризациями характеризуются волновыми векторами:

(1.228)

где Nzf: - комплексные коэффициенты преломления намагниченной среды, соответствующие волнам с правой и левой поляризацией,

зависящие от свойств среды (в общем случае от е, р).

Рис. 1.62. Прохождение линейно поляризованного света через намагниченную среду

В видимом И ультрафиолетовом диапазонах частот намагниченность приводит к уменьшению N+ для левополяризованной волны и увеличению N- для правополяризованной. В первом приближении можно полагать, что

N -N+NQ, (1.229)

где No - показатель преломления среды в отсутствие намагниченности.

Таким образом, при эффекте Фарадея наблюдается магнитное круговое двойное лучепреломление (двупреломление). Оно приводит в общем случае (при наличии поглощения света) к повороту плоскости поляризации исходного линейно поляризованного света на угол и появлению на выходе кристалла эллиптически поляризованной волны.

Действительно, как показано в [4.15], отношение амплитуд двух составляющих вектора напряженности электрического поля в све-тойой волне на выходе ее из кристалла оказывается комплексной величиной, что, как известно, свидетельствует о наличии эллиптической поляризации, причем угол вращения большой оси эллипса