磁光克爾效應Magneto-optical Kerr effect

磁光克爾效應作為表面磁學的重要實驗手段，已被廣泛應用于磁有序、磁各向異性、多層膜中的層間耦合以及磁性超薄膜間的相變行為等問題的研究。磁光克爾法是測量材料特性特別是薄膜材料物性的一種有效方法。本文較詳細的介紹了磁光克爾效應的原理，測量方法以及磁光克爾法的實驗裝置，也介紹了實驗裝置中的儀器的特點。后較為詳細的介紹了磁光克爾法測量NiMn多層薄膜的磁滯回線的實驗結(jié)果可以看出NiMn多層薄膜有明顯的磁滯行為，反應了NiMn多層薄膜的鐵磁特性。

簡介

在1845年，Michael Faraday首先發(fā)現(xiàn)了磁光效應，他發(fā)現(xiàn)當外加磁場加在玻璃樣品上時，透射光的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)的效應，隨后他在外加磁場之金屬 表面上做光反射的實驗，但由于他所謂的表面并不夠平整，因而實驗結(jié)果不 能使人信服。1877年John Kerr在觀察偏振化光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時，發(fā)現(xiàn)了磁光克爾效應(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和 Bader兩位學者進行鐵超薄膜磊晶成長在金單晶(100)面上的磁光克爾效應做了大量實驗，成功地得到一原子層厚度磁性物質(zhì)之磁滯回線，并且提出了以SMOKE(surface magneto-optic Kerr effect的縮寫)來作為表面磁光克爾效應，用以表示應用磁光克爾效應在表面磁學上的研究。由于此方法致磁性解析靈敏度達一原子層厚度，且儀器配置合于超高真空系統(tǒng)之工作，因而成為表面磁學的重要研究方法。 表面磁光克爾效應實驗系統(tǒng)是表面磁性研究中的一種重要手段，它在磁性超薄膜的磁有序、磁各向異性、層間耦合和磁性超薄膜的相變行為等方面的研究中都有重要應用。應用該系統(tǒng)可以自動掃描磁性樣品的磁滯回線，從而獲 得薄膜樣品矯頑力、磁各異性等方面的信息。

表面磁光克爾效應(surface magneto-optic Kerr effect，縮寫為SMOKE)作為表面磁學的重要實驗手段，已被廣泛應用于磁有序、磁各向異性、多層膜中的層間耦合以及磁性超薄膜間的相變行為等問題的研究.自1985年代以來相繼出現(xiàn)了多種SMOKE實驗方案.由于SMOKE要求能夠達到單原子層磁性檢測的靈敏度，因此對于光源和檢測手段提出了很高的要求.目前上比較常見的是用輸出功率很穩(wěn)定的偏振激光器.如Bader等人采用的高穩(wěn)定度偏振激光器，其穩(wěn)定度小于0.1。也有用Wollaston棱鏡分光的方法，降低對激光功率穩(wěn)定度的要求.Chappert等人的方案是將從樣品出射的光經(jīng)過Wollaston棱鏡分為I和P偏振光，再經(jīng)過測量它們的比值來消除光強不穩(wěn)定造成的影響.但這種方法的背景信號非常大，對探測器以及后級放大器的要求很高.也有人采用普通的氦氖激光器在起偏器后加分光鏡，將信號分為信號光束和參考光束，通過測量二者的比值來消除由于激光器光強和偏振面不穩(wěn)定造成的影響.本文給出的SMOKE新型測量系統(tǒng)，采用更為普通的半導體激光器作光源，用常見硅光電池進行克爾信號的采集，同樣成功地得到了磁滯回線，且整個系統(tǒng)有較高的檢測靈敏度。因此，它是一種普適方案，在一些科研機構(gòu)和大學近代物理實驗室使用后，均取得了良好的實驗效果。

磁光信息存儲是近年發(fā)展起來的新技術(shù)，是對傳統(tǒng)信息存儲技術(shù)的革新。開發(fā)更多、性能更加*，而且實用的磁光介質(zhì)材料是當前信息存儲領(lǐng)域的一項重要的任務。測量磁光介質(zhì)的克爾轉(zhuǎn)角則是研究這些材料的基本手段和方法。對于非開發(fā)人員來講，測量磁光克爾轉(zhuǎn)角的實驗一方面能夠提高進行物理綜合實驗的能力，另一方面對信息存儲的新技術(shù)將有更加深刻的理解，能啟發(fā)他們利用物理原理在信息存儲技術(shù)等領(lǐng)域提出新的設(shè)想，做出新的貢獻。

光學中的磁光克爾效應

當一束單色線偏振光照射在磁光介質(zhì)薄膜表面時，部分光線將發(fā)生透射，透射光線的偏振面與入射光的偏振面相比有一轉(zhuǎn)角，這個轉(zhuǎn)角被叫做磁光法拉第轉(zhuǎn)角(θF).而反射光線的偏振面與入射光的偏振面相比也有一轉(zhuǎn)角，這個轉(zhuǎn)角被叫做磁光克爾轉(zhuǎn)角(θk)，這種效應叫做磁光克爾效應.磁光克爾效應包括三種情況:(1)縱向克爾效應，即磁化強度既平行于介質(zhì)表面又平行于光線的入射面時的克爾效應;(2)極向克爾效應，即磁化強度與介質(zhì)表面垂直時發(fā)生的克爾效應;(3)橫向克爾效應，即磁化強度與介質(zhì)表面平行時發(fā)生的克爾效應.。

磁光克爾轉(zhuǎn)角的測量方法
對于已經(jīng)寫入了信息的磁光介質(zhì)，要讀出所寫的信息則需要利用磁光克爾效應來進行.具體方法是:將一束單色偏振光聚焦后照射在介質(zhì)表面上的某點，通過檢測該點處磁疇的磁化方向來辨別信息的"0"或"1"。例如，被照射的點為正向磁化，則在該點的反射光磁光克爾轉(zhuǎn)角應為+θk，相反被照射的點為反向磁化，則在該點的反射光磁光克爾轉(zhuǎn)角應為-θk。因此，如果偏振分析器的軸向恰好調(diào)整為與垂直于記錄介質(zhì)的平面成θk夾角，那么在介質(zhì)上反向磁化點的反射光線將不能通過偏振分析器，而在介質(zhì)的正向磁化處，反射光則可以通過偏振分析器。這表明反射光的偏振面旋轉(zhuǎn)了2θk的角度.這樣，如果我們在經(jīng)過磁光介質(zhì)表面反射的光線后方，在通過偏振分析器后的光路上安放一光電檢測裝置(例如光電倍增管)，就可以很方便地辨認出反射點是正向磁化還是反向磁化，也就是完成了"0"和"1"的辨認.可見，磁光克爾轉(zhuǎn)角在磁光信息讀出時扮演著十分重要的角色.如果把磁光介質(zhì)附著在可旋轉(zhuǎn)的圓盤表面，就構(gòu)成了磁光盤.磁光盤旋轉(zhuǎn)時，如果同時有單色偏振光聚焦在磁光盤表面，就可實現(xiàn)光線的逐點掃描，即信息被連續(xù)讀出。

磁光克爾轉(zhuǎn)角的測量裝置

在實際測量時，通常采用He-Ne激光作為光源，波長λ=632.8 nin.磁光介質(zhì)樣品安放在電磁鐵建立的磁場之中，磁場的磁感應強度為4 000 Gs左右.在此條件下，通過偏振分析器可順利地分析出磁光克爾轉(zhuǎn)角θk的大小，如果測量時光信號十分微弱，采用鎖相放大器可大大提高測量的精﹡度。

磁光介質(zhì)材料極其θk的大小

隨著磁光信息存儲技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出多種磁光介質(zhì)材料.在這些材料中比較優(yōu)﹡的有:非晶態(tài)稀土一過渡金屬合金材料(例如Fe-co)、非晶態(tài)錳鉍鋁硅(MnBiA1Si)合金材料和非晶態(tài)錳鉍稀土(MnBiRE)合金材料等。這些材料通常是采用真空蒸鍍、磁控濺射等方法將合金材料沉積于玻璃基底上，磁光薄膜的厚度一般在幾百納米左右。為了提高材料的磁光性能，采取多層膜技術(shù)十分有效.磁光克爾轉(zhuǎn)角一般并不大，以鋱鐵鈷(1bFeco)合金薄膜材料為例，在室溫下其磁光克爾轉(zhuǎn)角僅為0.3L右。MnBiA1Si的磁光克爾轉(zhuǎn)角可達2.04。如果僅考慮磁光克爾轉(zhuǎn)角的大小，采用簡單工藝制備的MnBi合金薄膜的磁光克爾轉(zhuǎn)角達到1.6。左右并不困難.當然，在實際制造磁光盤時，除了考慮磁光克爾轉(zhuǎn)角這一性能外，還需要綜合考慮其他性能.目前市場上做成磁光盤產(chǎn)品的磁光介質(zhì)以鋱鐵鈷(1bFeco)合金薄膜材料為主。

           常見磁性物質(zhì)在室溫下的磁光克爾轉(zhuǎn)角