磁性测量原理篇-5-磁光效应pdf

9.
10. “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures III”, by Burkard Hillebrands (Editor), Andre Thiaville (Editor), $225.00, 350 pages, Springer-Verlag; (September 15, 2004), ISBN: 3540201084
2c
Re(n− − n+ ) ≈
ω
2c ε
⋅ z0 ⋅ B
α F = V ⋅ l0 ⋅ B αF = K ⋅ l0 ⋅ M
V：Verdet constant，非磁性介质 K：Kundt constant，磁性介质
线偏振
M
O/E 椭圆偏振 光电转换 YIG
l0 石英玻璃 4.35 2.39 苯 9.25 5.06
右旋圆偏振光
1 E0 e − iω t 2
tan 2α =
' 1 E0 e − iω (t − n+l / c ) 2
2 Ex 0 E y 0 E −E
2 x0 2 y0
cos δ
E+ =
α= δ
1 2
磁光Faraday效应
Faraday旋转角αF：（l0为样品厚度 ）α =
F
法拉第效应2
ω z0
法拉第效应3
α F = V ⋅ l0 ⋅ B αF = K ⋅ l0 ⋅ M
磁光Kerr效应
Magnetic Optical Kerr Effect (MOKE)
1876年，Reverend J. C. Kerr Kerr J. C., J. Rep. Brit. Assoc. 5, (1876) 所有介质
1 −iQ 0 iQ 1 0 [ε ] = n 2 0 1 0
ε ki (− H )
• 量子理论－材料的电子结构和电子波函数
跃迁定则：角动量守恒 自旋－轨道耦合，磁场能：Zeeman能
所需基础知识
1. 电磁波的产生与检测 2. 电磁波与物质的相互作用：
a. 光的偏振，波的合成 b. 电动力学（Maxwell方程） c. 量子力学、散射截面 e. 电磁波在物质表面的反射 f. 电磁波的散射、吸收与发射
磁光1
出射光 线偏振 偏振面旋转 线偏振 线偏振 线偏振 线偏振 线偏振 线偏振 椭圆偏振 椭圆偏振 椭圆偏振 椭圆偏振 椭圆偏振 椭圆偏振
吸收
磁场中光源发射的光谱发生劈裂 磁振子－光子散射（Brillouin散射）
磁光效应的物理来源
• 经典（电动力学）理论
磁场使得介电张量矩阵变为非对称矩阵 = n '+ in '' n − iω t plane-wave: e ⇒ ε ik ( H = ) = Q '+ iQ '' Q 磁光效应来源于非对角矩阵元：旋光性 磁场的作用：时间反演对称性破缺
磁光Kerr效应
可 见 光
磁与光 及其 相关效应 电子 磁共振
100 nm 10 nm 1 nm 10-1 10-2 10-3 nm nm nm
紫外线 X-射线 γ射线
磁与光、光与磁
一、磁场（或者磁矩）对光的作用
各种磁－光效应：偏振，吸收，散射，能级 自旋－轨道耦合 ＋ Zeeman劈裂 M H 强度、偏振、方向、频率、相位
物理的 非（纯）数学的
光是什么？
• 会意。甲骨文字形, “从火, 在人上”。 • 本义: 光芒, 光亮 • 《说文》：光, 明也。 Light？ Optic？ Photo？
物理：光是能量的一种形式
光的表征：波长、频率；强度；速度；相位；偏振；
光与介质
• • • • 光的产生（光辐射）：量子力学的发源 光的干涉与衍射：波的特性 光的吸收、散射与色散：物理性质的研究 光致辐射：光电效应
预备1
RF
— 0.001 eV — 0.01 eV — 0.1 eV — 1 eV — 10 eV — 100 eV — 1 keV — 10 keV — 100 keV — 1 MeV
100 cm－1— 100 µm 1000 cm－1— 10 µm 10 000 cm－1— 1 µm
远红外线 红外线
1845年，M. Faraday Faraday M., Phil. Trans. Roy. Soc. 136,1(1846) 所有介质
磁光Faraday效应
1 E− = E0 eiω t 2
' 1 iω ( t − n− l / c) E− = E0 e 2
法拉第效应1
' ' = n0 δ n' n±
磁与光及相关效应
磁－光效应的种类
效应名称 Faraday效应 Cotton-Mouton效应 （Voigt效应） 磁双折射效应 磁圆振 磁线振 横向 纵向 极向 Zeeman效应 磁致激发光散射 发光 Raman散射 Kerr效应 反射 二向色性 透射 光路/模式 入射光 平行于M 垂直于M 平行于M 垂直于M M垂直于表面 M平行表面及入射面 M平行表面垂直入射面
参考读物
8. “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures I (Topics in Applied Physics, 83)”, by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, B. Hillebrands, $159.00, 388 pages, SpringerVerlag Telos; (January 1, 2002), ISBN: 3540411917 “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures II (Topics in Applied Physics, 87)”, by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, $189.00, 440 pages, Springer-Verlag; (March 18, 2003), ISBN: 3540440844
散射 反射 折射 双折射 吸收 色散 光电效应
磁场 磁性介质
磁场、磁性介质对光的影响
• 对光辐射的影响
能级劈裂：Zeeman效应
• 对光的偏振状态的影响
透射：Faraday效应、Voigt效应、Cotton－Mouton效应 反射：磁光Kerr效应
• 对光的吸收的影响
磁二色性：磁圆二色谱（MCD）、磁线二色谱（MLD）
参考读物
11. “Group Theory in Spectroscopy with applications to Magnetic Circular Dichroism”, by Susan B. Piepho, Paul N. Schatz, Wiley-Interscience Monographs in Chemical Physics, Sean P. McGlynn , Editor, (1983). John Wiley & Sons, Inc., ISBN: 0471-03302-2 12. “Inelastic Scattering of X-Rays with Very High Energy Resolution”, by Eberhard Burkel, Springer Tracts in Modern Physics, Volume 125, Springer-Verlag; (1991), ISBN: 3-54054418-6
V: °/(cm·T) K: °/(cm·Oe)
Hg: 435.8 nm Na: 588.9 nm 830 nm
3.4
磁光Faraday效应
磁光Faraday效应的应用
1. 磁光隔离器（透射型，如YIG） 2. 磁场强度测量（非磁性介质） 3. 磁光存储器读头（read） 4. 磁化行为测量（磁性介质） 5. 磁畴结构观测（透光） 6. 动态磁化过程
二、光对介质磁性能的作用
光辐照效应：矫顽力、磁导率、磁各向异性，铁磁共振 电子的能级移动
磁与光及相关效应
磁光法拉第效应 磁光克尔效应 布里渊散射 磁二色谱 动态磁化过程的观测
/definition/Faraday_effect
磁光Faraday效应
Magnetic Optical Faraday Effect (MOFE)
磁性测量原理篇 之二 磁光效应
赵同云
磁学国家重点实验室
2013年4月22日
磁与光及相关效应
光的吸收、散射和色散
O
x M (B) M（B） E y z
声
明
本讲稿中引用的图、表、数据全部取自 公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教 学使用，任何人不得用于商业目的。
参考读物
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 关于偏振、透射、反射、散射、吸收（《电动力学》） “Magneto-optical effects”, P. S. Pershan, J. Appl. Phys., 38, 1482-1490 (1967). 《计量测试技术手册》第7卷《电磁学》，中国计量出版社， 1996 《磁性测量》，周世昌 编，电子工业出版社，1994 《拉曼 布里渊散射》，程光熙 著，科学出版社，2001 “Magnetic dichroism in core-level photoemission”, K. Starke, Springer-Verlag, 2000 “X-ray scattering and absorption by magnetic materials”, S.W. Lovesey, S.P. Collins, Oxford U. Press, 1996
• 对光的散射的影响