Магнитооптическая спектроскопия ферромагнетиков на основе 3d- и 4f-элементов

• Автор: Гущин, Владимир Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 91 с. : ил.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность темы. Настоящая работа содержит результаты исследований комплекса магнитооптических явлений в ферромагнетиках в проходящем и отраженном свете. Работа направлена на решение фундаментальных проблем связи магнитоупорядоченной системы твердого тела с оптическими явлениями и восстановление спектра электронных энергетических состояний в ферромагнетиках
Многообразие электрических, оптических, магнитных и других свойств твердых тел, порой с невероятными особенностями их проявления при изменении внешних условий, казалась бы, создает непреодолимые: трудности их осмысления и объяснения. Тем не менее, существуют общие характеристики твердых тел, позволяющие с единых позиций описать практически все свойства и особенности - это энергетические спектры электронов и фононов, связывающие.энергию частиц Е с их импульсом Е = Е(к). В рамках теории электронного энергетического спектра, развиваемой в последние десятилетия, находят решение многие проблемы физики металлов и их сплавов, оксидных редкоземельных ферромагнетиков, композитных соединений и др.:Поэтому построение энергетического спектра электронов в ферромагнетике представляет важную научную задачу, для решения которой привлекаются различны-- экспериментальные методы, г ;.: ::
Оптические и магнитооптические (МО) методы являются наиболее простыми, эффективными и информативными. МО методы обладают рядом достоинств, главное из которых состоит в том, что в отличие от оптических, они чувствительны к знаку спина, что позволяет выделить, к какой спиновой зоне относится данный оптический переход. Большие возможности магнитооптической спектроскопии связаны с тем, что наиболее важные межзонные ';;рвалы, интервалы между отдельными уровнями и их компонентами, энергии обменного с лин-орбитального расщепления-энергетических зон ферромагнетика попадают в оптиче-.Уобласть спекгра. МО методам присуща уникальная особенность - это, в принципе, ди--.’уческие методики, которые несут отклик электронной системы на модуляцию вектора -'тайной намагниченности, что обеспечивает высокую чувствительность, характерную |;еех дифференциальных методик. Эти методы, несмотря на долгую жизнь, продолжают
: чэшенствоваться как в методическом отношении, так и в чисто научном плане. В подав-
I Ж'.- «Й ' *
ляюгцем большинстве случаев, однако, целенаправленно проводимые эксперименты в идейном отношении не являются принципиально новыми, но их широкое использование в исследованиях, а также быстрый рост числа соответствующих публикаций свидетельствует о том, что из области “чистых” эффектов они перешли в область рабочих методик физики твердого тела.
Современные поляризационные магнитооптическая и оптическая спектроскопии магнитоупорядоченных систем охватывают широкий круг актуальных вопросов, касающихся проблем физики магнитных явлений, электронной энергетической структуры ферромагнитных металлов и сплавов, энергетического спектра магнитоактивных ионов ферродиэлектриков и полупроводников и тонкой структуры их электронных состояний; природы поглощения света магнитоконцентрированными кристаллами; анизотропии оптических свойств кристалла; помещенного во внешнее магнитное поле; модификации электронного спектра электронов кристаллических и аморфных сплавов при структурных и магнитных фазовых превращениях; изучения ’’поверхностного" магнетизма, а также магнитных характеристик твердого тела, магнитных жидкостей, нанокристаллических структур, гранулированных сплавов и моноатомных мультислойных пленок и т.д. Указанные вопросы (как и ряд других) - некоторые в большей, а некоторые в меньшей степени - являются предметом данной работы. Решение названных вопросов важно не только в чисто научном плане, в них заключена также научная основа для практических приложений и в первую очередь для конструирования материалов с заданными магнитными и МО параметрами, для разнообразных применений материалов в современных элементах памяти и интегральной оптики, в качестве управляемых элементов оптических.трактов и магнитооптических устройств,,в лазерной технике и т:д. -г
Оптические и МО исследования магнитоупорядоченных систем в настоящее время ве: дутся во многих научных центрах у нас и за рубежом. В России впервые МО исследования ферромагнетиков были выполнены в МГУ в середине пятидесятых: родов [1], результаты которых позволили Г.С.Кринчику высказать идею о связи МО свойств металлов с их электронной структурой и выдвинуть программу' исследований динамических, свойств ферромагнитных металлов в оптическом диапазоне длин волн. В последующие годы МО исследования были существенно расширены географически (академические институты ЙФП, ФИАН, ИРЭ, ИФСО, университеты Екатеринбурга; Перми, Твери и др.). Расширился, и круг объектов, который включает магнитоу'порядоченные диэлектрики, полупроводники,' полуметаллы,. окислы, магнитные жидкости, композиционные магнитные материалы и т.д., МО методики вне-

3. МАГНИТООПТИКА ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ.
Оптически прозрачные магнитоупорядоченные кристаллы находят в настоящее время широкое практическое применение в вычислительной технике, интегральной оптике, опто-элекгронике и т.п. Применение в элементах перестраиваемой оптики прозрачных кристаллов, среди которых ведущее место занимают редкоземельные ферриты-гранаты, связано с возможностью управления небольшими магнитными полями их оптическими характеристиками. Успешное решение практических задач во многом связано с состоянием экспериментальных исследований физических свойств этих кристаллов, которые являются хорошим модельным объектом для изучения недостаточно разработанных проблем магнетизма и магнитооптики магнитоупорядоченных кристаллов. Несмотря на многочисленные исследования магнитных, оптических, магнитооптических и других физических свойств РЗФГ, природа оптических переходов и магнитооптической активности далека от полного понимания и адекватного теоретического описания; не существует удовлетворительной идентификации конкретных переходов в оптических и маг ншооптическйх спектрах, нет ясности в описании их зависимости от магнитного поля и температуры; остается нерешенным вопрос о происхождении анизотропии магнитоупорядоченкых кристаллов РЗ гранатов. Для решения названных проблем привлекаются спектральные исследования эффектов Фарадея и Фохта. Оба эффекта определяются двумя явлениями. Первое: магнитное круговое двупреломление света - фара-деевское вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света и магнитный круговой дихроизм - фарадеевская эллиптичность, состоящая в различии показателей поглощения лево- и право-циркулярно поляризованных волн при прохождении света через продольно намагниченное вещество (волновой вектор к параллелен вектору намагниченности I). Второе: магнитное линейное двупреломление и магнитное линейное двупоглощение (МЛД) линейно-поляризованного света для векторов световой волны Е, ориентированных вдоль и нормально к I при прохождении света через поперечно намагниченное вещество (Ш).
Возрастание интереса к изучению эффекта Фарадея (ЭФ) в РЗФГ связано с тем, что в недавнее время наметились сдвиги в понимании роли различных механизмов магнитооптической активности этого класса ферромагнетиков [39]. Что касается эффектов Фохта, то исследования показали [40], что они являются весьма эффективными для изучения электронных спектров РЗ ионов в структуре ФГ, в которых наиболее отчетливо отображается все многообразие энергетических взаимодействий в ферримагнетиках. Величина этих эффектов в РЗФГ достигает больших значений (сравнимых в некоторых кристаллах с эффектом Фара-