WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 2 Магнитное двулучепреломление света в гематите © И.Ш. Ахмадуллин, В.А. Голенищев-Кутузов, С.А. Мигачев, М.Ф. Садыков Казанский физико-технический институт Российской академии наук, 420029 Казань, Россия E-mail: iakhm@kfti.knc.ru (Поступила в Редакцию 10 января 2001 г.

В окончательной редакции 2 июля 2001 г.) Исследованы особенности распространения оптического излучения ИК-диапазона в легкоплоскостном антиферромагнетике -Fe2O3. В геометрии эффекта Коттона–Мутона измерено магнитное двулучепреломление, оценены магнитооптические константы.

Легкоплоскостные антиферромагнетики типа гемати- с антиферромагнитным параметром порядка L. Основыта давно привлекают внимание своими необычными ваясь на таких посылках, мы сочли необходимым провемагнитоупругими (МУ) и магнитооптическими (МО) дение детального исследования МО-свойств гематита с свойствами [1,2]. В свою очередь исследование МУ- целью выявления особенностей, связанных с параметром и МО-свойств позволяет получать более полные сведе- порядка L. Нам представлялось необходимым изучить конкретную зависимость n от магнитного поля, а затем ния о магнитной структуре, обменных взаимодействиях определить реальные параметры, определяющие тензор и фазовых переходах в этих системах. В последнее диэлектрической проницаемости гематита в присутствии время появился ряд работ, свидетельствующих о том, магнитного поля.

что данные материалы могут найти практическое применение, в частности для управления оптическими и акустическими пучками. Особый интерес представляет 1. Методика и результаты измерений появление для таких сред дополнительной возможности управления с помощью магнитного поля [1]. Однако Блок-схема экспериментальной установки показана на МО-свойства изучены недостаточно полно. Это связано рис. 1. Источником ИК-излучения служил полупрос тем, что область оптической прозрачности гематита водниковый лазер типа ИЛПН-206-1 ( = 1, 35 µm).

лежит в ИК-области ( > 1.2 µm). С появлением Источник питания позволял модулировать излучение с доступных источников монохроматического излучения частотой 512 Hz, опорная частота с него подавалась ИК-диапазона (полупроводниковых лазеров) этот пробел на синхродетектор B9-2. Система линз, входящих в может быть восполнен.

объектив, позволяла получить световой пучок с относиМагнитное двулучепреломление в гематите впервые тельно плоским волновым фронтом. Свет через кварцеобнаружено в работе [3], в которой было установле- вую пластину, поляризатор и диафрагму подавался на но, что эффект возникает выше температуры Морина исследуемый образец, помещенный в зазоре электромагTM 260 K. В последующих работах было исследовано нита. Образцы имели оптически просветленные грани магнитное двулучепреломление под влиянием одноос- с плоскопараллельностью порядка 20. Ориентация ных механических напряжений [4] и вблизи температуры кристаллографических осей кристалла определялась с Морина [5]. В этих работах в тензоре диэлектрической проницаемости i j (1) учитывались лишь члены, квадратичные по вектору антиферромагнетизма L [6], и не учитывались слагаемые, линейные по L и магнитному полю H. Влияние вкладов в i j, линейных и квадратичных по магнитному полю, рассматривалось в [7], где эти слагаемые возникают из-за зависимости намагниченности M от магнитного поля H.

В неантиферромагнитных кристаллах линейное магнитное двулучепреломление обычно является эффектом, квадратичным по H или M [8]. В легкоплоскостных антиферромагнетиках типа гематита, характеризуемых параметрами порядка L и M (M L) [6], в разложении Рис. 1. Блок-схема установки. 1 — излучатель лазера, тензора i j по степеням этих параметров присутствуют 2 — объектив, 3 — He–Ne-лазер, 4 — кварцевая пластислагаемые вида LiHj MiHj, которые характерны для на, 5 —поляризатор, 6 — ирисовая диафрагма, 7 — исантиферромагнетиков с симметрией D3d [1,2]. Поэтому следуемый образец, 8 — анализатор, 9 — электромагнит, следует ожидать, например, зависимости двулучепрело- 10 — фотоприемник, 11 — синхродетектор, 12 —блок пита мления n = LH от магнитного поля, связанной ния полупроводникового лазера.

9 322 И.Ш. Ахмадуллин, В.А. Голенищев-Кутузов, С.А. Мигачев, М.Ф. Садыков плоскостью поляризации входящего света и направлением магнитного поля (рис. 2). (Для эллиптической поляризации выходящего света разность - определяется углом между большой полуосью эллипса и магнитным полем.) Волновой вектор k был параллелен оси симметрии третьего порядка кристалла. Внешнее магнитное поле B направлялось вдоль одной из осей симметрии второго порядка. Все измерения проводились при комнатной температуре (T 295 K).

На рис. 3 приведены зависимости угла поворота плоскости поляризации от угла для более высокой (кривые 2) и меньшей (кривая 1) однородности магнитного поля B. Для более однородного магнитного поля эта зависимость в интервалах 0-40 и 50-практически линейна, неоднородность нарушает ее лиРис. 2. Геометрия эксперимента. — угол между плоскостью поляризации падающего света и направлением вектора индукции B, — угол поворота плоскости поляризации выходящего света по отношению к плоскости поляризации падающего, Mи M2 — намагниченности подрешеток.

точностью до 0.3 методом рентгеноструктурного анализа. Длина образцов вдоль направления распространения света составляла 0.057 либо 0.62 cm. Размер более тонкого образца выбирался таким, чтобы разность фаз света на выходе образца была меньше /2. Ориентация образца в зазоре магнита контролировалась при помощи юстировочного He–Ne-лазера, что позволяло минимизировать вклад в двулучепреломление, обусловленный непараллельностью между направлением распространения Рис. 3. Зависимость угла поворота от угла между плоссвета и оптической осью кристалла.

костью поляризации падающего света и направлением вектора После образца световой пучок через анализатор и индукции постоянного внешнего магнитного поля. 1 —зазор вторую диафрагму попадал на вход фотоприемника. Чувмагнита 50 mm, 2 — 13 mm; 3 — относительная интенсивность ствительным элементом приемника являлся одноэлесвета на входе фотоприемника. B = 0.71 T.

ментный фоторезистор с системой охлаждения и термостабилизации по эффекту Пельтье. Продетектированный сигнал усиливался прецизионными операционными усилителями типа К140УД17А с регулируемым коэффициентом усиления до 105 и подавался на синхронный детектор.

Индукция магнитного поля варьировалась в пределах 0-2.1 T. Конструкция магнита позволяла изменять величину воздушного зазора и регулировать положение полюсных наконечников для получения более высокой однородности магнитного поля. Эксперименты проводились с двумя значениями зазора (50 и 13 mm). В первом случае магнитное поле имело неоднородность с градиентом до 3-4 mT / cm. Во втором случае однородность создаваемого магнитного поля была заметно лучшей, что контролировалось при помощи ЯМР-измерителя магнитРис. 4. Зависимости угла поворота (1) и наведенного ной индукции Ш1-1.

магнитным полем двулучепреломления n (2) при фиксироИсследовалось прохождение линейно поляризованнованном угле = 22.5 от величины магнитного поля высокой го света вдоль оси Z C3. В экспериментах региоднородности. Сплошная линия — аппроксимация методом стрировались зависимости угла поворота плоскости наименьших квадратов экспериментальных данных линейной поляризации света на выходе образца от угла между зависимостью n(B).

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Магнитное двулучепреломление света в гематите нейность (рис. 3). Заметим, что в наших экспериментах линейно поляризован [2] в отличие от эллиптической поляризация выходящего света меняется с изменением поляризации при Bz = 0 [2].

угла : она линейна при = 0 и 90, круговая Для указанной выше геометрии эксперимента, когда при = 45 и эллиптическая при промежуточных свет распространяется вдоль оси Z C3, нормальные значениях. Это подтверждается характером изменения моды имеют вид интенсивности проходящего света от минимума при почти полном поглощении линейно поляризованного n2 = (xx +yy) ± (xx - yy)2 + 42, (2) 1,2 xy света скрещенными поляризаторами до максимума при круговой поляризации света на выходе из образца (кри|| Ex = exp i(t - k1z), вая 3 на рис. 3). Рис. 4 демонстрирует измеренную Ey 1 1 + 2 -|| зависимость угла поворота при фиксированном угле Ex 1 = 22.5 от величины магнитного поля высокой = exp i(t - k2z), (3) однородности (кривая 1). Ey 2 1 + 2xy =, (4) 2. Обсуждение результатов 2xx - (xx +yy)+ (xx -yy)2+xy МУ- и МО-свойства легкоплоскостных антиферро- 2 где xx = xx - xz/zz, yy = yy - yz/zz, магнетиков в упорядоченной фазе определяются двумя xy = xy - xzyz/zz, n1,2 — коэффициенты преломлепараметрами порядка — вектором суммарной намагниния, ki = ni/c, — частота, c — скорость света. При ченности M и вектором антиферромагнетизма L [6] этом матрица Джонса [2,9] имеет вид M = M1 + M2, L = M1 - M2, Ex = Ey z=h где Mi — намагниченность подрешеток (i = 1, 2) в неколлинеарной фазе [1,2].

cos()-i sin() cos -i sin() sin Ex, (5) Гематит имеет структуру I+3+2-, и выше темпера-i sin() sin cos()+i sin() cos Ey z=туры Морина (TM 260 K) вектор антиферромагнетизма L лежит в легкой плоскости намагниченности где sin = 2/(1 + 2), cos = (1 - 2)/(1 + 2), перпендикулярно оси третьего порядка [1,6]. Геометрия h — толщина кристалла, 2 = h(k1 - k2) —разность эксперимента такова, что вектор магнитной индукции фаз нормальных мод (2), (3), = + i. Как B также лежит в легкой плоскости намагниченности, следует из (1), (3), (4), при Bz = 0 нормальные и если его величина превышает пороговое значение моды (3) линейно поляризованы, в противном случае они BS 0.15 T, при котором происходит монодоменизация поляризованы эллиптически.

кристалла, то L B. При выборе B в качестве оси X, Если на кристалл вдоль оси Z падает линейно поляа вектора L — в качестве оси Y в легкой плоскости ризованный свет, вектор поляризации которого состаразложение тензора диэлектрической проницаемости по вляет угол с вектором магнитной индукции, то с степеням вектора антиферромагнетизма L с точностью помощью (5) можно найти угол поворота плоскости до членов L2 приводится к виду [1] поляризации выходящего света xx = + 14BL + 12L2, yy = - 15BL + 11L2, a + b tg tg[2( - )] =, (6) c + d tg zz = + 34BL + 31L2, где xy =(i0 - 18L)Bz, xz = -68LBz, a = sin sin 2 + 2 sin cos sin2, yz = -i1B + i2L - 61L2 - 64LBz. (1) b = cos2 + sin2 (sin2 - sin2 - cos2 ), Здесь и — диэлектрические постоянные вдоль оси c = cos2 + sin2 cos 2, третьего порядка (ось Z) и перпендикулярно ей в отсутd = 2 sin cos sin2 - sin sin 2.

ствие магнитного поля, i j, k — МО-константы. При выводе выражений (1) кристалл считался оптически проЕсли = 0, = 0, sin 1, то выражение (6) зрачным, что накладывает условие самосопряженности переходит в формулу, указанную в [2]. Рассмотрим два на тензор диэлектрической проницаемости i j: ji = i j.

случая.

В (1) не выписаны явно слагаемые, пропорциональные a) Линейная поляризация (Bz = 0). В этом спонтанной намагниченности MS (замена B M); они случае = 0, т. е. нормальные моды (3) линейно поляучтены в перенормировке коэффициентов i j [1].

ризованы, и для угла поворота плоскости поляризации Обращает на себя внимание зависимость недиагональвместо (6) получим ных членов тензора i j от z-компоненты магнитной индукции Bz. При Bz = 0 xy = 0 и свет в кристалле tg[2( - )] = cos 2 tg 2, (7) 9 Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 324 И.Ш. Ахмадуллин, В.А. Голенищев-Кутузов, С.А. Мигачев, М.Ф. Садыков h 2 [(12 - 11)L2 +(14 + 15)LB], = n n0 = = 2.84. (8) Выражение (7), совпадающее с выражением, полученным в [10], хорошо описывает зависимость, представленную на рис. 5 (кривая 1). Следует отметить, что зависимость угла поворота плоскости поляризации от магнитного поля в легкой плоскости определяется только разностью фаз (8). Разность фаз 2 = 2h(n1 - n2)/, поэтому как следует из (7), зависимость двулучепреломления n от магнитного поля B можно представить в виде tg 2( - n = arccos +, (9) 2h tg 2 h где слагаемое /h учитывает дополнительный сдвиг фаз Рис. 5. Зависимости tg 2 от tg 2 для однородного (1) и в 2, возникающий в толстом образце по сравнению с неоднородного (2) магнитных полей (B = 0.71 T).

тонким.

Экспериментальные данные представлены на рис. (кривая 2), который демонстрирует измеренную завиТеперь, как видно из (6), зависимость tg[2(-)] от tg симость наведенного магнитным полем двулучепрелоносит нелинейный характер. Эта нелинейность обусломления n при фиксированном угле = 22.5 от влена не равным нулю множителем d, пропорциональвеличины магнитного поля высокой однородности. Там ным xy Bz. В отличие от случая a зависимость угла же сплошной линией представлены результаты подгонки поворота плоскости поляризации от магнитного поля экспериментальных данных для двулучепреломления мев легкой плоскости определяется не только разностью тодом наименьших квадратов. Это позволило определить фаз, но и зависимостью xy от z-компоненты магнитного значения констант, входящих в выражение (8), поля Bz. Экпериментальные данные приведены на рис. (12 - 11)L2 3.1·10-4, (14 +15)L 8.35·10-10 T-1, (кривая 2). Там же сплошной линией представлены результаты подгонки экспериментальных данных выраили, подставляя взятое из работы [11] значение для L, жением с помощью (6) метода наименьших квадратов равное 0.1740 T, получаем при Bz = 5.5 mT. В данном случае эта величина, по-видимому, является характеристикой неоднородности 12 - 11 1.02 · 10-2 T-2, 14 + 15 4.8 · 10-9 T-2.

магнитного поля по объему образца.

В магнитном поле B < BS монодоменная структура кристалла начинает разрушаться. И хотя вектор антиСписок литературы ферромагнетизма в пределах каждого домена не равен нулю, результирующий вектор L 0, а следовательно, [1] Е.А. Туров. Кинетические, оптические и акустические и разность фаз 2. Кроме того, поскольку L определяется свойства антиферромагнетиков. УрО АН СССР, Свердловск (1990). 134 с.

обменными полями BE (имеющими порядок величи[2] Г.А. Смоленский, Р.В. Писарев, И.Г. Синий. УФН 116, 2, ны 103 T), в использованных в эксперименте полях мо231 (1975).

дуль вектора антиферромагнетизма не зависит от поля B.

[3] Р.В. Писарев, И.Г. Синий, Г.А. Смоленский. Письма в Слагаемые же, пропорциональные намагниченности M ЖЭТФ 9, 294 (1969).

[4] В.С. Меркулов, Е.Г. Рудашевский, А.Ле Галль, К. ЛейкюMS + B M =, рас. ЖЭТФ 75, 2(8), 628 (1978).

1 + [5] В.С. Меркулов, Е.Г. Рудашевский, А.Ле Галль, К. Лейкюгде 1 — магнитная восприимчивость, MS < L — рас. ЖЭТФ 80, 1, 161 (1981).

[6] И.М. Дзялошинский. ЖЭТФ 32, 6, 1547 (1957).

спонтанная намагниченность монодоменизированного [7] В.С. Меркулов. Кристаллография 28, 3, 421 (1983).

кристалла, вносят в силу указанных неравенств малый [8] Е.А. Туров. ЖЭТФ 92, 5, 1886 (1987).

вклад в перенормировку параметров i j [1, с. 57].

[9] Ю.М. Федоров, А.А. Лексиков, А.Е. Аксенов. ФТТ 26, 1, b) Эллиптическая поляризация (Bz = 0).

220 (1984).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.