表面磁光Kerr效应装置搭建.doc

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1、表面磁光Kerr效应装置搭建王祯钰田传山殷立峰魏大海王煜复旦大学物理系摘要：本文简要介绍了磁光Kerr效应的原理及分类，较为详细地介绍了表面磁光Kerr效应（SMOKE）测量系统的搭建，并对所搭建的系统进行了测试。关键词：表面磁光Kerr效应（SMOKE）磁滞回线一引言磁光效应有两种：Faraday效应和Kerr效应[1]。1845年，MichaelFaraday首先发现介质的磁化状态会影响透射光的偏振状态，这就是Faraday效应。1877年，JohnKerr发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响，这就是Kerr效应。Kerr效应在表面中的应用，即为表面磁光Kerr效应（

2、SurfaceMagneto-OpticKerrEffect，简称SMOKE），它作为一种探测薄膜的磁性的技术始于1985年。单考虑磁性的贡献。当一束偏振光打到样品表面时，铁磁性会导致反射光偏振面转过一个小角度，这个小角度叫做Kerr旋转角θk。同时，铁磁性会导致椭偏率也有一个小变化，这个变化叫做Kerr椭偏率εk。由于Kerr旋转角θk和Kerr椭偏率εk都是磁化强度M的函数，因此，可以通过测量θk或εk的变化，而反映M的变化。用SMOKE来进行磁性测量，有下述五个主要优点：（1）灵敏度高。SMOKE可以测得亚单层的磁性。（2）原位（insitu）测量。通过和超高真空（UH

3、V）设备相连接，利用SMOKE对样品进行原位测量，可以得到所要研究的样品的性质，免去对样品加保护层时可能引入的各种影响。（3）局域测量。通过聚焦，可以使光斑直径在1毫米至几百微米，从而测量样品上不同点的信号。因此，可以通过生长锲形样品（wedge），从而研究样品性质随厚度的变化，或是样品性质随组分的变化，给出相变点的位置[2]，大大加快测量速度，减少系统误差。（4）装置简单，容易搭建。（5）无损测量。由于测量用的是光探针，因此不会对样品造成任何破坏。此外，SMOKE既能测薄膜样品的面内信号，又能测垂直信号，实验中只要改变磁场方向即可。SMOKE最大的不足之处在于不能给出绝对磁

4、矩。基于上述优点，SMOKE是现代一种常用的重要的表面磁性研究手段。它在磁有序、磁各向异性及磁性超薄膜相变行为等研究中有着广泛而重要的应用。近来，由于自旋霍尔效应（spinHalleffect）[3]的备受关注和磁光记忆材料的不断研究开发，不论在科研还是在实用中，SMOKE都扮演着越来越重要的角色。二原理及分类2.1原理从宏观上讲，磁光效应来源于介电常数张量中非对角元的不对称性[4]。入射到磁性材料上的线偏振光可以看成左旋偏振光和右旋偏振光的叠加，由于介电常数张量中非对角元的不对称，造成了左旋偏振光和右旋偏振光在样品中的传播速度不一样，从而左旋偏振光和右旋偏振光有一个相位差，

5、于是，反射光的偏振面就发生了旋转。同理，介电常数张量中非对角元的不对称使得样品对左旋偏振光和右旋偏振光的吸收率也不一样，这就导致了反射光椭偏率的变化。从微观上讲，经典的看法是磁光效应是由Lorentz力引起的。电子在左旋偏振光或右旋偏振光作用下作圆周运动。在磁场作用下，电子受到一个Lorentz力F=-ev×B。假设磁场是沿着光传播的方向加的，那么如果电子作左旋运动，则受到的力是指向圆心的，于是运动半径会减小，导致电偶极矩减小；反之，如果电子作右旋运动，则受到的力是背向圆心的，于是运动半径会增大，导致电偶极矩增大。由此可见，电子对于左旋偏振光和右旋偏振光的响应是不同的，从反作

6、用的角度考虑，这就造成了磁光效应。从量子力学的角度来看，磁光效应是自旋轨道耦合的结果。在电子的坐标系中看，根据Lorentz变换，原来的光的电矢量就有了磁场的效应，与电子的角动量发生作用，从而影响了电子的运动，即自旋轨道耦合项~(▽V×P)·s导致了磁光效应。Kittle[5]证明了自旋轨道耦合引起的波函数的变化给出磁光效应，Argyres[6]用微扰论给出过磁光效应的详细推导。2.2分类按照磁化强度M方向与入射面的方向的不同，磁光Kerr效应可以分为三类（如图一）：极向Kerr效应（polar）、纵向Kerr效应（longitudinal）与横向Kerr效应（transve

7、rse）。Transverse(c)Longitudinal(b)Polar(a)MMM图一：三种磁光构型（1）极向Kerr效应：M垂直于样品表面并且平行于入射面。信号强度随入射角的减小而增大，在0度入射时达到最大（因为此时，Lorentz力公式F=evBsinθ中，θ与入射角互余）。（2）纵向Kerr效应：M在样品膜面内并且平行于入射面。纵向Kerr效应的强度随入射角的增大而增大，在0度时为0（因为此时，Lorentz力公式F=evBsinθ中，θ等于入射角）。通常情况下，纵向Kerr信号比极向Ker