磁性测量原理篇-5-磁光效应pdf

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
H E S
d. 电磁波在（磁性）介质中的传播模式
光的能量范 围与磁效应
磁共振
1 cm－1— 10 cm－1—
100 km 10 km 1 km 100 m 10 m 1m 10 cm 1 cm 1 mm
1 kHz VLF LF MF HF VHF UHF SHF 微波 EHF 无 线 电 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz — 1 K — 10 K 1 THz 10 THz — 100 K 100 THz — 103 K 1015 Hz — 104 K 1016 Hz 1017 Hz 1018 Hz 1019 Hz 1020 Hz — 105 K — 106 K — 107 K — 108 K — 109 K
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
参考读物
A. K. Zvezdin and V. A. Kotov
Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials
Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1997, ISBN: 0 7503 0362 X
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）
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
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
• 对光的散射的影响
磁致非弹性光散射：Brillouin散射
• 对光的强度的影响
线偏振光的反射：s光、p光
磁场、磁性介质对光的影响
• 发现历史
1845年，M. Faraday发现光平行磁场透过玻璃时偏振面旋转 1876年，J. C. Kerr发现光从磁性介质表面反射时偏振面旋转 1896年，P. Zeeman发现磁场导致发光光谱的劈裂 1902年，Voigt发现光垂直于磁场在气体中传播时发生双折射 1907年，Cotton和Mouton发现了液体的Voigt效应 1914年－1922年，L. Brillouin预言声波调制的非弹性光散射 1975年， J. L. Erskine理论计算金属镍的M2,3磁－光吸收谱 1985年， B. T. Thole理论计算稀土金属的M4,5磁二色谱 1987年， G. Schütz测量了铁的磁圆二色谱 1992年， B. T. Thole提出磁二色谱的sum rules
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Байду номын сангаас
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
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
左旋圆偏振光 入射光
M
δ= n ' δ n1 − iδ n2
= δ n1
出射光
α
ω
c c = µ , δ n2 υ
ω
线偏振光
Ex = E0 Re eiω t = = E E 0 y z
E+ =
l0
椭圆偏振光
' n0 l = + ∆1 ) Ex Ex 0 cos ω (t − c ' n0 l + ∆2 ) E y = E y 0 cos ω (t − c Ez = 0
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
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
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
http://www.wordiq.com/definition/Faraday_effect
磁光Faraday效应
Magnetic Optical Faraday Effect (MOFE)
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
磁光Kerr效应
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
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
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
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±