Магнито- и электромагнитооптические явления, обусловленные магнитной симметрией кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

российская академия наук

физико-техническим институт им. а.ф.иоффе

П !1

:

На праьах рукописи

КРИНКВЦОВ Корме Борисович ^

УДК 537.62; 337.639; 537 632

МАГНИТО - И ЗЛЕКТРОМАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ОбУСЛОВЛЕИНЫЕ НАГНИТНОИ СИНМЕТРИЕИ КРИСТАЛЛОВ

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискании учоной степени лонтора фи^ико~натематичысних наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Физико техническом институте мм. А.Ф.Иоффе РАН,

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор А К. Заездки,

доктор физико-матемвтических наук,

профессор В. в. леманов,

доктор физико-математических наук.

профессор Ю М Яковлев.

Ведущая организация - Институт физических1проблем РАИ

Защита состоится " " "" "" 1993 г.

в /часов на заседании диссертационного совета д. 002. 23.03 при Физико-техническон институте ни. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, С.-Петербург. Политехническая ул., 26

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФТИ им. А. Ф Иоффе РАН (С.-Петербург, Политехническая ул. .26).

Автореферат разослан " 1093 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических

наук

А. А. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 'ЬТУМЬРР?Интенсивное исследование оптических явлений I кристаллах, обладающих магнитным порядком, начавшееся в шести-1есятых годах вскоре после того, как был синтезирован ряд магне-■кков. прозрачных в оптическом диапазоне, показало, что в таких гатериалах, благодаря наличию в них сильных внутренних магнитных юлей, могут наблюдаться спонтанные магнитооптические аффекты ¡ольшой величины, такие, как эффект Фарадея , эффект Керра и др. [аряду с этим было показано, что в магнитных кристаллах имеются щтические явления, существование которых обусловлено магнитной :имметрией я которые не могут наблюдаться в диа- и парамагноти-;ах. К таким явлениях orиc~тт'r,^, няппимер. двупрелонление, ли-шйное по напряженности магнитного яэя«, квадратичное по магнит-юму полю невэаимное вращение плоскости поляризапии света и др, эучение оптических эффектов, специфических для магнитоупорядо-енных материалов,оказалось принципиально важным для построения ебрии взаимодействия света с магнитными кристаллами, изучения лектронкых состояний, определения магнитной симметрии и т. д.

Вскоре после экспериментального открытия Л.Н.Астровым (1) агнитоэлектрического (МЭ) эффекта, предсказанного И. Е. Дзялошин-кик [2], появился ряд теоретических работ, посвященных исследо-анию взаимодействия света с кристаллами, обладающими линейным Э эффектом. Эти работы показали, что в таких кристаллах можно жидать появления новых спонтанных и индуцированных невэаимных птических явлений, связанных с проявлением как статической М") осприимчивости, так и с НЭ восприимчивостью на оптических час-отах. К таким явлениям относятся невзаимный поворот плоскости оляризации света, индуцированный электрическим полем (3), гиро-ропноь лвупреломление, невэвкмный поворот и эллиптичность света ри отражении от магнитоэлоктриков [4). 1ак жо.как я НЭ чффвкт. казенные явления обусловлены проявлением магнитной симметрии, о если НЭ эффект связан со свойствами основного состояния маг итных ионов, оптические явления определяются и возбужденными остояниями, поэтому их изучении открывает новые возможности пл» сследовянии электронных состояний магнитных кристаллов К мл

менту постановки данной работы экспериментальное исследование »»взаимных оптических явлений в магнитоэлектриках отсутствовало. В литературе инелось только несколько отдельных работ по этой тане. Отсюда возникла необходимость целенаправленного поиска и исследования невзаимных оптических явлений в магнитоэлектриках.

Следует отметить, чю в настоящее время магнитные материалы, в частности редкоземельные ферриты-гранаты, нашли широкое применение для создания устройств хранения и обработки информации, управления излучением, индикации и измерения полей и т. д. ИЭ эффект в ферритах-гранатах изучался индукционными, емкостными и резонансными методами. Тем не менее, однозначная трактовка МЭ эффекта в ферритах-гранатах отсутствовала. Это было связано с ограниченностью указанных методов, требующих для исследования относительно больших объемов вещества и не обеспечивающих необхо димого пространственного разрешения. Применение оптических методов , позволяющих достичь разрешения «1 мкм и обладающих высокой чувствительностью, могли бы вывести изучение МЭ эффекта на качественно новый уровень и дать возможность изучать МЭ эффект от отдельных магнитных доменов, областей,содержащих одну доменную стенку, и исследовать тонкие эпитаксиальные пленки ферритов-гранатов. К началу данной работы исследования в этой области не проводились.

Фундаментальной- проблемой магнитооптики является выявление микроскопических механизмов магнитооптических явлений. При этом одним из основных является вопрос о связи между параметрами, характеризующими магнитные и магнитооптические свойства кристаллов. Как показало феноменологическое рассмотрение, основанное на учете магнитной симметрии [5], в многоподрешеточных магнетиках эффект Фарадея может определяться не только магнитным моментом т. но и антиферронагнитным моментом 1. Несмотря на то, что магнитооптические свойства магнетиков изучались достаточно подробно, экспериментальное подтверждение существования антиферромагнитного эффэкта Фарадея отсутствовало. Наблюдение этого эффекта могло дать основание для выявления новых механизмов эффекта Фа-рплея п магнитных кристаллах.

Таким образок актуальность работы определяется необходимостью развития представлений о взаимодействии света с магнитными :ристаллами, выявления новых механизмов магнитооптических явле-[ий и новыми возможностями оптических методов в исследовании ;ерспективных магнитных материалов.

Ц§5Ь_настоящей_работы_ заключается в поиске и исследовании маг-[ито - и электромагнитооптических явлений в магнитных диэлектри-:ах и выявлении механизмов, ответственных за эти явления.

Целью работы предусматривалось: . Создание экспериментальных установок для изучения невзаимных птических явлений, индуцированных внешним электрическим полем, таи*» спонтанных невзаимных явлений в иагнитоэлакхрака;:. . Исследование нввзаимного вращения плоскости поляризации еве-а, индуцированного электрическим полем, а также одновременным риложением магнитного и электрического поля, в антиферромагне-яке Сг203. Разработка феноменологической теории и нодепьное ассмотрэнив микроскопических механизмов этих явлений.

Поиск и исслодованиа невзаимных оптических явлений в Сг^Оу вязанных с проявлением ИЭ восприимчивости на оптических астотах.

. Исследование невзаимного вращения плоскости поляризации све-а, индуцированного электрическим полем, в монокристаллах и эпи-аксиальных пленках редкоземельных ферритов-гранатов.

Изучение полевых зависимостей линейных и квадратичных нагни-ооптических эффектов в слабом ферромагнетике ¥Ге03- Разработка эноменологической теории эффекта Фарадея и магнитного линейного вупреломления в УКеО^.

были выбраны модельные кристаллы иэики " магнетизма. антиферромагнвтик Сг^Оу монокристаллы эрритов- гранатов У^е О,,, У Ге йа О , эпитаксиальные илг нни

О Э X б ^ л 1 &

эрритов-гранатов (УВ1) 3 (Рева) 5<>х?/ааа, (УШРгГ.и) с.о] ?

слабый ферромагнетик ортоферрит иттрия УКчО.

ные_ положе ния^ _ вьшосикые_ иа_ з шриту

1. Результаты исследования иевзаимного вращения плоскости поляризации света, линойного по электрическому полю в антиферромаг-нетнке Сг^О^. Феноменологическое описание эффекта и выделение ферро- и антиферрокагиитного вклаоов в невзаимное вращение. Теоретическое рассмотрение микроскопических механизмов аффекта.

2. Результаты исследования невзаимного вращения плоскости поляризации. квадратичного по электрическому и линейного по магнитному поли в Сг203- Теоретическое описание эффекта, основанное на учете движения антиферромагниткых доменных стенок, индуцированного электрическим и магнитным полем.

3. Результаты исследования линейных и квадратичных по параметру порядка оптических явлений в Сг^О^, возникающих при переходе кристалла в антиферрокагнитное состояние.

4. Результаты исследования невзаимных оптических явлений, связанных с проявлением магнитоэлектрической восприимчивости на оптической частоте.

5. Результаты исследования квадратичного по электрическому полю невзаимного вращения плоскости поляризации в монокристаллах ит-триевого и иттрий-галлиевого феррита-граната. Теоретическое рассмотрение механизмов магнитоэлектрического эффекта и электромагнитооптического эффекта в отдельных магнитных доменах и в областях <содержащих доменную стенку в режиме движения доменных стенок, а также в режима вращения намагниченности и режиме насыщения.

6. Результаты исследования линейного по электрическому полю невзаимного вращения плоскости поляризации света в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов. Теоретическое описание эффекта в модели, учитывающей влияние электрического поля на магнитную анизотропию пленок. Наблюдение второй оптической гармоники в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов.

7. Результаты исследования линейных и квадратичных магнитооптических явлений в слабом антиферромагнетике УРе03- Феноменологическое описание эффекта Фарадея и магнитного линейного двупре-ломления в ¥ГеО, Выделение ферро- и антиферромагнитного вкладов

в эффект Фарадея.

ЬЭУЗК^.М???!?? работы определяется следующим:

1. Экспериментально обнаружены новые оптические явления - невзаимное вращение плоскости поляризации света, индуцированное одновременным приложением к антиферромагнитному кристаллу электрического и магнитного поля, невэаимное гиротропное двупреломлени -„ света, невзаиккый поворот плоскости поляризации и невзаимный круговой дихроизм, возникающие при отражении света от антиферромагнетиков. Впервые определены величины компонент тензора МЭ восприимчивости на оптических частотах. Выявлены новые механизмы невзаимных оптических явлений - антиферромагнитный эффект Фара-доя, антяферромагнитнов ниозавинзс гр^р.ени» плоскости поляризации, индуцированное электрическим полой.

2. Впервые для исследования КЗ эффекта применена оптическая методика, позволившая обнаружить МЭ эффект в отдельных магнитных доменах яттриевого и иттрий-галлиевого ферритов-гранатов и наблюдать движение доменных стенок, вызванное приложением к кристаллу электрического и магнитного поля. Обнаружен и исследован линейный МЭ эффект в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов.

3. Ряд новых результатов получен в теоретическом описании наблюдаемых явлений. Разработана феноменологическая теория вращения плоскости поляризации света, индуцированного электрическим полей. Проведено модельное микроскопическое описание этого явления, позволившее выявить механизмы, ответственные за антиферромагнитный вклад в невзаимное вращение. Проведен количественный расчет полевых зависимостей локального МЭ эффекта в монокристаллах и пленках ферритов-гранатов, определены параметры теории и дана качественная картина образования интегрального МЭ эффект.

гр?!?1*!?вская_ценнрсть_работы_ заключается в том, что в» результ ты значительно расширяют физические преде 1 явления о взаимодействии света с магнитоупорядоченными средами, дают гй»л"чип о новых механизмах образования магнитооптических явлений и от крывают новые возможности для изучения электронной структуры магнитных кристаллов. Ратное значение имеет распространен*« т>

нятия мэ восприимчивость р обпястц олти'югиик чясг01. ii" ип-ч'п

кяет, в принципе, существенно расширить класс МЭ материалов, включив туда помимо диэлектриков магнитные полупроводники, металлы и сверхпроводники.

В работе получен ряд новых, практически важных результатов, расширяющих наши представления о влиянии электрического поля на магнитную анизотропию и доменную структуру нонокристаллов и пленок ферритов-гранатов. "Гигантский" линейный МЭ эффект и электромагнитооптический эффект, обнаруженный в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов>могут найти практическое применение в магнитооптических устройствах.

В работе исследован магнитооптический переключатель оптических каналов на основе YFeC>3 с эффективностью развязки °<50 дБ, а также управляемый преобразователь линейной поляризации света в круговую.

Апробация_работы Материалы диссертации представлялись на международных, всесоюзных я российских конференциях, в том числе: на Всесоюзной конференции по физике нагнитных явлений (Харьков 1979, Донецк 1985, Калинин 19S8 -приглашенный доклад, Ташкент 1991), Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Ташкент 1985, 1988, Новгород 1990), Всесоюзном семинаре "Магнитные фазовые переходы и критические явления (Махачкала 1989), Всесоюзной школе-семинаре "Исследования физических свойств магнетиков магнитооптическими методами" (Москва 1986, )988), всесоюзном семинаре "Сегнетомагнетики и магнитные полупроводники (Москва 1986), Всесоюзном совещании по оптике анизотропных сред (Москва 1937),Всесоюзном научно-техническом семинаре по доменным и магнитооптическим устройствам (Москва 1988), IX всесоюзном научно-техническом семинаре "ЦНД/ВБЛ в систенах обработки и хранения информации" (Алушта 1989), школе-семинаре по нпгнитооптике (Киев 1989), Международной конференции по магнитооптике ISMO (Киото 1987, Харьков 1991), Международной конференции по магнетизму (Эдинбург 1991),Международной конференции по магнит ^электричеству MEIPIC (Аскона 1993), Всесоюзном совещании •'ептические свойства магнитных диэлектриков" (Киев 1989),Всесо-s^hbII сессии Научного Совета по магнетизму (Алушта 1990)

Материалы ' диссертации неоднократно докладывались на различных семинарах ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН , ЛЭТК ии. В. И. Ульянова (Ленина), НИИ "Домен", Дортмундского университета (ФРГ), Университета Пари-Ск>д (Франция) и др.

Структура_и_обьен_диссертации Диссертация состоит из

введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 336 стр., в том числе 111 рисунков, 12 таблиц. Список цитированной литературы включает 2.68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ сформулирована тема диссертационной работы, обоснована ее актуальность, приведены основные результаты и положения, выиосинио на зяаиту. Кратко изложено содержание работы.

~ "Эявитромагнитооптические явлении в антфир^и-«агнетике Сг203" приведены результаты экспериментального и тоо-эетического исследования спонтанных и индуцированных электрическим полем невзаимных олтичесних явлений в оксиде хрома. В раэде-те 1. 1 рассмотрены кристаллографическая и магнитная структура :г203, описаны его магнитные, магнитоэлектрические и оптические звойства. В разделе i. 2 проведено феноменологическое описание <агнито - и электромагнитооптических явлений в оксиде хрома, ос-«ванное на разложении тензора диэлектрической проницаемости ! тензора гирации g. по компонентам векторов, характеризующих тгнитную структуру кристалла m и 1, а также по конпонантам шешнего электрического поля Е. В области прозрачности в Сг2С>3 в >тсутствио электрического поля разрешены эффекты магнитного ли-

]ейного двупреломления, описываемого членами типа Ь. .. J. i в

1 jкп к п

•ензоре а танже гиротропного двупреломления, обусловленного

1ленами типа в антисимметричной части тензора тирании П

|рисутствии электрического поля Е магнитная симметрия допугкает юявленио антисимнетркчной части в тензоре диэлектрической про-[ицаемостя с?. •)'ijvE., где полярный с-тензор, опигиваюший

z j 1 j к к

ювзаимное вращение плоскости поляризации, линейное по плрргри-ескому полю. Используя трансформационные свойства ноипонлнт екторов m, I, Е. показано, что в групп» нпнлчнрмм пре-бразуется тамжр, кан I ^F?. ч п'^тгму п ""ртоиамии

могут участвовать два механизма - ферромагнитный, связанный с эффектом Фарадея, обусловленным появлением намагниченности за счет магнитоэлектрического эффекта, и антиферромагнитный, дающий вклад в с^ типа с^у" Разделение этих двух механизмов

возможно при исследовании температурных зависимостей невзаимного вращения, индуцированного электрическим полем, поскольку л> и 1 при изменении температуры изменяются по-разному.

В разделе 1.3 приведены результаты экспериментального исследования невзаимного вращения плоскости поляризации света, индуцированное электрическим полем в Сг203. Невзаимное вращение наблюдалось при распространении света вдоль оптической оси кристалла кIIг и направлении электрического поля ЕИг. Эффект линейно зависит от величины электрического поля. Знак эффекта определялся типом антиферромагнитного домена (1+ или 1 }, реализованного в кристалле с помощью процедуры магнитоэлектрического отжига. Поскольку домены 1 и 1~ связаны между собой операцией обращения времени, разный знак эффекта в 1+ и 1" домене доказывает невзаимность наблюдаемого явления. Исследование процесса магнитоэлектрического отжига показало, что для полной конодоменизации образца требуются относительно слабые магнитное и электрическое поле (Н«3 кЭ, Е«30 В/мм), имеется возможность реализации много-доненного состояния, .з также наблюдения перехода кристалла из одного монодоменного состояния в другое.

Исследование невзаимного вращения, индуцированного магнитным полем в Сг203.позволила выделить диа- и парамагнитные вклады в ЭФ, которые при температуре Кееля близки по величине и

противоположны по знаку (V,,, «200"/кА, \^г~-240"7кА).

диа пара

В разделе 1. 4 проведено разделение ферро- и антиферромагнит ного вклада в невзаинное вращение, индуцированное электрическим полом в Сг^О^. На рис.1 представлены температурные зависимости нввзпииного вращения, МЭ восприимчивости и подрешеточной намагниченности в Сг2оз- Ферромагнитный вклад в невзаинное вращение, пропорпиональный НЭ восприимчивости, равен нулю при температуре Т-90 К и наблюдаемое невзаимное вращение полностью определяется пнгиферромагнитным вкладом, пропорциональным подрешеточной на-

Рис. 1. Температурные зависимости невзаимного вращения, индуцированного электрическим полек, подрвшеточной намагниченности и МЭ восприимчивости в Сг.О,.

Рис. 2.Температурная зависимость невзаккного вращения, квадратичного по электрическому и линейного по магнитному полю в Сг.О,.

магниченности, т. в. 1. Тенпеоатурная зависимость невзаимного лращения хорошо описывается комбинацией ферро- и антиферромагнитного вкладов, причем величина ферромагнитного вклада находится в хорошем согласии с оценками, полученными на основе величины ИЗ восприимчивости и парамагнитного вклада в ЭФ. Феноменологическая модель ферро- и антиферромагнитного вклада в невзаимное вращение основана на разложении вектора гирацни д по компонентам подрвшеточных нанагниченностей ша и ш^:

а а Ь Ь

В отсутствие электрического поля та"=_гаьи Электри-

ческое поле вызывает появление намагниченности ш-га +т. *0, а так-

а Ь

же изменяет магнитооптические восприимчивости Р„ и Р. . Поскольку

3+ а в

точечная симметрия ионов Сг не содержит центра инверсии, а нечетная компонента кристаллического поля в позициях а и Ь имеет разный знак Рд ь=Рв4 ЧЕ. В результате вектор гирации в присутствии поля Е имеет вид:

д = Р а„Е, + чЕ 1 , г о И г ^ г г '

где а(|- НЭ восприимчивость» Микроскопическое описание ферро- и

антиферромагнитного вкладов проведено на примере электродиполь-3+4 4

ного перехода в Сг А2д - Т2ц при учете в гамильтониане кубического кристаллического поля УКу£, четной и нечетной частей тригонального кристаллического поля ^р® ^р' спин"орбитального

взаимодействия V__, обменного взаимодействия , и взаимодей-

со оом

ствия электрона с электрическим полем Ув:

Н =■ Н + V + V + V4 + Vй + V , + V • • куб со тр тр обм е

Учет во втором порядке теории возмущений V приводит к сдвигу

3+

уровней иона Сг , линейному по электрическому полю, причем в разные стороны в позициях а и Ь [6]. Это явление известно, как "псевдоштарковское" расщепление, наблюдаемое при исследовании люминесценции в рубине. Сдвиг уровней приводит к изменению под-решеточкых восприинчивостей и появлению антиферрогмагнитного вклада в невзаимное вращение. Оценка "псевдоштарковского" растепления в Сг203> полученная при использовании величин ферро- и пчгиферромагнитного вкладов в невзаимноо вращение, НЭ восприин-чирости и полрешеточной намагниченности, дает Л1"1.'1-2) см 1- в по-

ц

ла Е-10 В/ск. что близко к расщеплению,наблюдаемому в рубине.

В разделе 1. 3 приведены результаты исследования невзаинного вращения в Сг^О^, индуцированного одновременным приложением постоянного магнитного и переменного электрического поля. Эффект квадратичен по электрическому полю, линеен по магнитному полю и наблюдается в тех случаях, когда кристалл находится в многодо-кеннок состоянии, а также в узкой температурной области ( АТ»0. 16 К) в районе Т^. На рис. 2 представлена температурная зависимость этого эффекта в геометрии Епнпккв. Механизм образования нелинейного невзаимного вращения плоскости поляризации, когда кристалл находится в многодоменном состоянии, связан с движением антифер-рондгпяттпс гт»нпк, индуцированным действием электри-

ческого и напгятнэгг поля электрическое поле вызывает появление в 1+ и 1 доменах намагниченности и невзаимного вращения, линейного по Е, разного знака. Взаимодействие магнитного поля Н с на-иагниченностыо доменов снимает энергетическую эквивалентность 1+ и 1" доменов, что приводит к увеличению объема домена с тин, г. е. к движению доменной стенки. Изменение объемов доменов вызывает появление квадратичного по электрическому полю невзаимного эращения плоскости поляризации. Поскольку амплитуда движения доменной стенки пропорциональна величине магнитного поля, эффект ишеен по Н. Максимум эффекта наблюдается, когда обшая длина доменных границ в поле засветки максимальна, Этот эффект, в прин-хипе, может быть использован для изучения динамики антиферромаг-1ятных доненных стенок.

В разделе 1.6 изложены результаты изучения линейных и квадратичных по параметру порядка 1 оптических явлений при Фазовом 1ереходе в антиферромагнитное состояние в Сг203. Анализ темпера -гурных зависимостей линейного двупреломления Лпу2"пу""пг

1-1. 16 мкм) показал наличие большого по прличиио маг н*т»пгп

2

жлада Лп - <1 *> как выше, так и нижо Тм. Спонтаннпе ияпшчич!

2 -1 (вупреломление Лпсп~<1> характеризуется величиной Лпсп",'1,)

|ри Т-100 К. величина флуктунпионного вклада при

^фл*0'5,10"1

ИРП^ЯИМИОР Ррзшени^. лииойло0 г?;!яктгичс«\кпмг?

кое по параметру порядка), и узком температурном интервале &Т«0. 15 К в районе Ты испытывает скачок. В этой же температурном диапазоне наблюдается пик невзаимного вращения, квадратичного по электрическому и линейного по магнитному полю (Рис.2). Это свя- ■ детельствует в пользу того, что фазовый переход в Сг2С>3 является переходом первого рода, близким ко второму. Пик нелинейного невзаимного вращения в районе Т^ объясняется движением нежфазкых границ, индуцированным внешними полями.

Раздел 1.7 посвящен исследованиям спонтанных невзаимных оптических явлений, возникающих при прохождении и отражении света от Сг^О^. Невзаимное гиротропное двупреломление, связанное с членами типа E^jjcn^n в тензоре гирации или sij)cn^jt,cn п тензоре c^j, описывается в Сг2С>3 с понощыо двух феноменологических параметров и может появляться как линейная по 1 добавка к двупрелом-лению ünyZ (kUx) или как иевзаимный поворот главных осей индикатрисы при переходе кристалла в антиферромагнитное состояние.

Исследование двупреломления Дп показало, что в температурном

У -Б

диапазоне (100-350) К величина An с точностью до 10 одинако-+ -

ва для 1 и 1 доменов. Понижение температуры ниже TN. тем не менее, сопровождается поворотом главных направлений индикатрисы разного знака в 1+ и 1 доменах, что проявляется в повороте плоскости поляризации, света Silz при kiix. Угол поворота осей имеет величину «2' при Т"230 К, что на несколько порядков превышает теоретические оценки, приведенные в [4].

Как показано в ряде теоретических работ (напр. [4]), учет МЭ восприимчивости в уравнениях Максвелла,

Di - cijEj + aijV Bi - *ijEj + "ijHj •

приводит к появлению спонтанных невзаимных явлений, наблюдаемых при прохождении света (гиротропное двупреломление), и в отражении света от магнитоэлектриков (невзаимный поворот плоскости поляризации и невзаимный круговой дихроизмЬНа Рис.3 показаны температурные зависимости поворота плоскости поляризации и кругового пихроизма при отражении света от Сг2°з в различных антиферромаг-нигичх доменах. Невзаимность явлений доказывается раз шли знаком 1ФФектов я 1+ и 1 доменах Исходя из величины наблюдаемых явле-

Рис. 3, Температурные зависимости невзаимиого поворот плоскости поляризации (ввчрху) и кругового дихроизна (внизу) в отражении светп от Сг-,0,.

киЧ били определены значения конпонент действительной ос и мни-кой а"частей тензора а"^ на длине волны Л- 0.63 ним!

"хх " "уу" > «¿8 - 4-3'10"' '

ахх - ауу~ -0-9'10' ' «;8 - а.2.10-4. Теоретические оценки ИЗ восприимчивости в оптическгм диапазоне - 8 - 9

дают величины «10 -10 , что на 4-5 порядков ниже, чем наблюдаемые значения. Выражение для полученное квантомеханическим

расчетом, имеет вид

4пе N "п

J.J га си, п 2 2 "п " и

где а и т=>1+2з - операторы электрического и магнитного дигольно-го моментов,|д> и |п> - волновые функции основного и возбужденного состояний. В образование а^ могут давать вклад только переходы, разрешенные одновременно в электро- и магнитодипольном приближении. Сильное различие теоретически предсказанных и экспериментальна наблюдаемых величин МЭ восприимчивости связано с тем, что в оценках [4] учтены только нагнитодипольные переходы в дальней инфракрасной области спектра Ь1>«250 см , хотя электронные переходы в видимом диапазоне в Сг20Э могУт быть разрешены в электро- и магнитодипольном приближении, что приводит к резонансному усилению эффекта.

В главе 2 "Электромагнитооптический эффект в монокристаллах ферритов-гранатов" приведены результаты изучения невзаимного поворота плоскости поляризации света, индуцированного электрическим полем ОНО эффект) в феррите-гранате иттрия У3Ге5012 (ИФГ) и в иттрий-галлиевон феррите-гранате ^3Ре5„хСах°]2 1Х*с-6) (ИГФГ). В разделе 2. 1 рассмотрены кристаллическая структура, магнитные, магнитоэлектрические, оптические и магнитооптические свойства редкоземельных ферритов-гранатов.

В разделе 2. 2 описаны результаты исследования интегрального электромагнитооптического ОНО) эффекта, измеряемого с простран-стванным разрешением (О. 15-1)мм. Магнитная группа симметрии ИФГ содержит центр инверсии, поэтону НЭ эффект в нон квадратичен по эчектрическону полю Половые зависимости ЭМО эффекта, измеренные с разрешением »1мм в ИФГ и ИГФГ, аналогично МЭ эффекту, нечетны

по магнитному полю, характеризуются линейными по Н зависимостями в режиме движения доменных стенок и достигают максимального значения в рожине вращения намагниченности. В полях, больших полн насыщения, ЭМО эффект характеризуется небольшой величиной,не зависящей от магнитного поля. Опенка величины МЭ восприимчивости, полученная из данных по ЭМО эффекту, и величины эффекта Фарадяя хорошо согласуется с результатами МЭ измерений других авторов. Таким образом интегральный ЭМО эффект является оптическим аналогом МЭ эффекта, измеряемого емкостными и индукционными метопами. Увеличение разрешения до 150 мкм приводит к появлению особенностей в виде пиков на полевых зависимостях ЭМО эффекта в области перехода от режима движения доненышс сгокяк у режиму вращения намагниченности.

8 разделе 2 3 приведены результаты изучения ЭМО эффекта в отдельных магнитных доменах в ИФГ и ИГФГ. Исследования проводились с разрешением "2. 5 мкн путем сканирования диафрагмы, вырезающей из изображения кристалла исследуемого участка. На рис. 4 показана полевая зависимость ЭМО эффекта в двух доменах ИГФГ в геометрии кШШШ при намагничивании тонкой пластинки с нормалью к поверхности п. В отличие от интегрального ЭМО эффекта, в режиме движения доменных стенок в доменах с противоположно плправленн.и намагниченностью наблюдался большой по величине эффект раз него знака, не зависящий от величины магнитного поля Переход в режим крашения намагниченности сопровождается исчезновением одного из ломонов и сильным увеличением ЭМО эффекта в прелколлапснон состоянии. В домене с противоположно направленной намагниченностью ЭМО эффект уменьшается примерно на порядок. Аналогичная картина наблюдается и в ИФГ. В случае тангенциального намагничивании тонкой пластинки (кйЕНп. Шп) полевая зависимость ЭМО эффекта характеризуется сильным увеличением ЭМО эффекта по кере прибяи жеммя поля к На ( Н - поло анизотропии) и резни» учвт.аи'и*»» >Ф фекта при Н>Н . На основании данных по ЭМО эффекту и величины Э^ получены полепыо зависимости НЭ восприимчивости в ИФГ и ИГФГ, показывающие, что величина МЭ восприимчивости в отделыоак ломе-нчх п отсутствие магнитного поля примерн;> «а гщчтщ' йллш^ чя;.

«* ■

лí'-а

D,1 0,1 0,3 0,4 O.S B.I 0,1 0,3 Н,кЗ _i-(-р-, <t. i; ■--

Рис. 4.Полевые зависимости ЭМО эффекта в отдельных доменах ИГФГ".

Замен Н~

¡¡г/1, с/3 iva _ „ «. ¡[„„.¡¡глс/З

I

200 wo

Рис. 5, Зависимость ЭМО эффекта от координаты при сканировании диафрагны через домен эллиптической формы в ИГФГ при Н- 30О Э. а - сечение А-А, б - сечение В-В.

симальной величины интегральной МЭ восприимчивости.

В разделе 2. 4 рассмотрен ЭМО эффект от областей, содержащих доменную стенку. Исследование проводилось сканированием дмафраг-ны через участки кристалла, содержащие доменную стенку, при одновременной измерении эффекта Фарадея, ЭМО эффекта и дифференциальной магнитооптической восприимчивости Хко- 8 режима движение доменных стенок в присутствие магнитного паля в областях, содержащих доменную стенку, наблюдался дополнительный ЭМО эффект большой величины, отсутствующий при Н-0 1рис. S). Максимальный эффект, значительно превосходящий ЭМО эффект в домене, наблюдался 13 тох случаях, когда доменная стенка находилась посередине исследуемого участка. Величина эффента квадратично зао'г« от электрического поля и линейно зависит от магнитного поля " пор, пока размер домена не становится сравним с пространственным разрешением прибора. Когда размер домена становится сравним с разрешением, наблюдается сильное увеличение ЭМО эффекта. Исследование движения доменных стенок а доменах эллиптической формы показало, что ЭМО эффект от изогнутых участков доменной стенки существенно больше, чем от плоских частей.

Раздел 2. S посвящен теоретическому описанию МЭ и ЭМО эффекта в отдельных доменах. Отсутствие МЭ эффекта в режиме насыщения в ферритах-гранатах свидетельствует о том, что механизм этого явления связан с влиянием электрического поля на магнитную анизотропию кристалла. Феноменологически энергия анизотропии в кубинском магнетике описывается выражением:

W = + ...) + СЕ2(оф^ + + DE2(a1a20ie2+

где К^- первая константа анизотропии, aнаправляющие косинусы намагниченности и электрического поля. Направление оси легкого намагничивания (ОЛН) определяется соотношением между параметрами Kj, С и D. В режиме дижения доменных стенок намагниченность в доменах параллельна ОЛН, которая в отсутствие электрического поля совпадает с осями типа [111]. При Ej«0. Е^-Е^-О направление ОЛН определяется направляющими косинусами I7. = (1 >гск2/к )/1 ,

2 7 ?

1\ - (1 -ГТ. /К,)/-*.

Ьиличнна НЭ и ЭХО эффекта в режиме движения доменных стенок оп-

2

реляляется соотношением СЕ /К^. Исходя из величины ЭКО эффекта для ИФГ и ИГФГ в отдельных доменах получены значения с/к^г. 2-ю"17 м2/в2 и с/к1»1.1-ю"17 м2/в2.

В случав тангенциального намагничивания тонкой пластинки намагниченность, нормальная к поверхности образца, не появляется, режим движения доменных стенок отсутствует и в диапазоне

магнитных полей 0<Н<Н в каждом домене происходит поворот на-

а

нагниченности. от направления ОЛН к направлению магнитного поля. Расчет показал, что величина МЭ и ЭМО эффекта в диапазоне полей

о<н<н увеличивается и имеет расходимость при Н-Н , что и наблю-

а • а

поется в эксперименте.

В области вращения намагниченности равновесное направление намагниченности определяется действием поля анизотропии, внешнего магнитного поля и полями размагничивания и определяется минимумом потенциала:

И « К,(о?«? + ...) + СЕ?а2 - М На, + 2лМ2а? Г 1 2 11 61 31

где Ид - спонтанная намагниченность. Как показали расчеты, в

этой области магнитных полей величина НЭ и ЭМО эффектов опреде-

2 2

ляется соотношением СЕ /4лМ~. Поскольку в ИФГ и ИГФГ величина 4пМг более чем на порядок превышает Н^, величина МЭ эффекта в режиме вращения намагниченности должна быть существенно меньше, чем в режиме движения доменных стенок, что и наблюдалось в эксперименте. Теоретическая полевая зависимость ЭМО эффекта, полученная при использовании определенных выше отношений С/К^ и спонтанной намагниченностьи Ме в ИФГ и ИГФГ, находится в хорошем согласии с экспериментом.

В разделе 2. 6 проведен анализ магнитоэлектрического эффекта в областях кристалла, содержащих доменную стенку, существование дополнительного ЭМО эффекта, наблюдаемого при пересечении диафрагмой участка, содержащего доменную стенку, в присутствии магнитного поля и отсутствии его при Н-0 свидетельствует о том, что образование этого эффекта не связано со стенкой как таковой, а определяется ее движением, вызванным совместным действием улек-тричвгкпго и магнитного полой Об этом свидетельствует также на-

блюдение пиков дифференциальной магнитооптической восприимчивости х при пересечении диафрагмой доменной стенки. Приложение к

МО

кристаллу магнитного поля в режима движения доменных стенок вч зывает изменение объемов доменов, имеющих противоположные проекции намагниченности на направление магнииого поля Если стенки могут двигаться в кристалле свободно, обьомы доменов перераспр« делятся таким образом, чтобы поля размагничивания скомпенсировали внешнее магнитное поле, и внутреннее попе, действующее на намагниченность доменов, было равно нулю. Если теперь к кристаллу приложить электрическое пола, то вследствие поворота олн нч магниченность в доменах изменит свое направление. Изменение про акции намагниченности на нор*«..;. к H~?Tv"r,rT,< пластинки приведет к исчезновению компенсации милду магнитным а^лэн и полями размагничивания и, в результате, стенки сдвинутся таким образом, чтобы указанная компенсация восстановилась и проекция суммарной намагниченности осталась прежней = Н/4п. Чем больше

магнитное поле, тем больше M и тем больше изменения M , вызван-

п п

ные приложением электрического поля. Таким образом амплитуда движения доменных стенок должна линейно зависеть от магнитного поля, что и наблюдается в эксперименте. Анализ описанного механизма движения доменных стенок показал, что знак дополчитпл! нот ЭМО эффекта должен совпадать со знаком ЭМО эффекта в дпмннн, имеющим отрицательную проакцию намагниченности на направления II, в полном согласии с экспериментом. Амплитуда смещения доменных

7

стенок в ИГФГ при Е-10 В/м и И- 300 Э составляет Лх'-ù.ni кем

Аномальное увеличение ОНО сигнала в полях, блиа ких к иог,г-коллапса,танже связано с движением доменных стчнок п л m нолях размер доменов достигеет Я 3 мкм, что близко к прпегргте tesиноъу рч?ретянжю установки Изменение рялиуса цонвпп п этом случае вьпыпаот нвксимчльнпр »juciieim» млммип^Й ииш-нпр, mi» ноющих в поле эр«кия и, следовательно, резко» уп^пичоп«» тш -■>■!• фекта, наблюдярчое в эксперименте.

В различи ?.. 7 приводится качественная квртичч обрнзопяння интвгрчлмни <> МЗ эффекта, чяморчвнпго емкостными и ичдуимипш^'нн методами,и «in pi [щгп-нгн п îMO oiern, ц-> м»р чг и г, i ,, г рг. . р.чмг. oi.

» 1 ми. В отсутстьие магнитного поля НЭ и ,ЭМО эффект равен нулю, поскольку объемы доменов с противоположными направлениями намагниченности одинаковы, доменные стенки не движутся, а МЭ и ЭМО эффекты в таких доменах имеют противоположный знак. При Н*0 в режиме движения доменных стенок эти эффекты также не должены наблюдаться, если доменные стенки могут двигаться совершенно свободно. В этом случае МЭ и ЭМО эффект от отдельных доменов полностью компенсируется эффектом от движения доменных стенок и не может быть зафиксирован интегральными методами. Наблюдаемые в различных экспериментах линейные по Н зависимости в этом режиме связаны с закреплением доменных границ на дефектах, неоднород-ностях кристалла и т. д. В области вращения нанагниченногти величина ЭМО эффекта одинакова для интегральных и локальных измерений, величина ИЭ и ЭМО восприимчивостей, определяемая отношением " /4пМ , более чем на порядок меньше, чем в отдельных доменах в режиме движения доменных стенок. В режиме насыщения ЭМО эффект отсутствует. Небольшой по величине ЭМО эффект в этом режиме может быть объяснен квадратичным по Е сдвигом резонансных частот оптических переходов, ответственных за ЭФ , т. е. эффектом Штар-ка. Оценки показывают, что необходимый для описания эффекта

7

сдвиг резонансных частот оптического переходав поле Е-10 В/м составляет величину «4. см 1 для резонансной частоты перехода v-25000 см"1.

В главе 3 - "Электромагнитооптические явления в эпитакси-альных пленках ферритов-гранатов"-представлены результаты изучения невзаимного вращения плоскости поляризации, индуцированного электрическим полем в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов состава (YBi)3(FeGa)5012 и (YBiPrLu)5(FeGa)5012> выращенных на подложках в плоскости (111) и (210). В разделе 3.1 рассмотрены структурные, магнитные и магнитооптические свойства эпитаксиальных пленок, необходимые для последующего изложения.

В разделе 3. 2 приводятся результаты исследования элвктро-млгнитооптическогэ эффекта в пленках с одноосной магнитной анизотропией, выращенных на подложках в плоскости (111). Экспери-мпнтплмю исследовались полевые зависимости интегрального ЭМО

эффекта и эффекта Фарадея в параллельной геометрии HIlEilkiin и перпендикулярной геометрии HiEllklln, где ri- нормаль к плоскости пленки. В отличие от монокристаллов ферритов-гранатов ИФГ н ИГФГ в зпитаксиальных пленках наблюдается ЭМО эффект, линейный по электрическому полю, который запрещен симметрией в кубических ферритах-гранатах. Анализ полевых зависимостей ЭМО эффекта в поперечной геометрии Нт, а также в угловой геометрии, когда поле Я направлено под углом к поверхности пленки, показал, что имеется два различных типа проявления ЭИО эффекта: 1-ЭМО эффект, наблюдающийся в многодоменном состоянии и представляющий собой

линейные по Н зависимости в диапазоне полей 1Н1< Н , где н -

• • а а

поле од»шоси.э2 и TI- ЭМО эффект в монодоменнон сос-

тоянии, наОлидаи/НИЙСЛГ 5 максимумов при значениях Н, близких

к На (рис.6). ЭМО эффекты типа X и II по-разному зависят от угла между магнитным полем и плоскостью пленки, а также от угла поворота пленки вокруг оси, параллельной п. В продольной геометрии ЭМО эффект в пленках типа (Ш) не обнаружен.

В раздела 3.3 проведено теоретическое описание ЭМО эффекта в пленках типа (111), основанное на учете влияния электрического поля на параметры магнитной анизотропии зпитаксиальных пленок. В случае предварительно нонодоменизированного образца (h*0)' равновесное направление намагниченности m определяется минимумом потенциала t

W =■ [ (а/2) sin"2 (ú-tp) - (н +h) cost? - Husini? + (г/2) cos2í]Hs,

гле а-2К /М , г- 4ггМ , и- угол, определяющий отклонение ОЛН от

u s s

нормали n, i>- угол, определяющий направление намагниченности по отношению к n, Н- и Н(|-конпоненты магнитного поля Н перпендикулярно и параллельно плоскости пленки. Электрическое поле может изменять константу одноосной анизотропии Кц и направление ОЛН, т. ч <р Расчет полевых зависимостей ЭМО эффекта, учитывающий изменения К. и показал, что экспериментальные полевые зависи-ц

мости с хорошей точностью описываются теорией при следующем наборе параметров: а- 4 кЭ, р- 0.8°, h- 160 Э, г- ISO Э, Да- О. 15 я, Лр- о. 24". Величины параметров а и г определялись независимо

■т' иямрррмий полевых зависимостей ЭФ ч различных геометриях.

Рис. 6,Полевая зависимость ЭМО эффекта в пленке типа (111) в геометрии kilnllE, 7-0.7°, при h-±160 Э (1,3) и h-0 (2).

Рис. 7. Угловые зависимости интенсивности вог в пленках типа (111) и (210) при угле межлу поляризагорой и анализатором а-0 и а-ро".

В случае многодоменного образца íh»o) вид потенциала более сл' ж«iн- поскольку он зависит уже от трех параметров, на которые Mo;tBT влиять электрическое лсло: а, Кц и V, где V- относительный обьем домена Минимизация потенциала для случая незакрепленных каченных стенок показала, что величина МЭ эффекта, а следовательно и Эмо эффекта, определяется ьыражением:

2

Лга = НйЛ<рМа/(гсов р), i е эффект линеен по компонента магнитного поля в плоскости об-оагна что и наблюдаотся в эксперименте, и вызван вращением ОЛП Е) электрическом поле.

В разделе 3.4 рассмотрены результаты исследования линейного oiio ~ г!">««»у г. помбической магнитной анизотропией, вы-

ращенных ид »»пя (210). В отличие от плчнок хина i ill;

Е пленках типа (210) 3M0 эффект наблюдается как в параллельной, "ак и в перпендикулярной геометрии. Величина ЭМО эффекта в пленках (210) значительно выше. Максимальное значение ЭМО эффекта, зафиксированного в угловой геометрии, (кА- 17°) составляла 17.3 "/В, что примерно на два порядка выше, чем в пленках типа (111). Угловая зависимость ЭМ0 эффекта в поперечной геонетрии обладает рядом особенностей, связанным с ромбическим характером магнитной анизотропии.

В монодоменном состоянии в пленках с ромбической а^изотро-■1мэи равновесное положение намагниченности в присутствии магнитного поля определяется минимум*ч потенциала:

W « -Ku(mU)2 + К (mP)2 - МП + 2л(Мп)2, r,at кц и Кр - константы одноосной и ромбической анизотропии, и и Р - вектора, характеризующие направления соотпетствующих осей анупотропии. В принципе, влияние электрического поля мо-гаг про являться через изменение констант и Кр и направлений и и Р Угсл поворота ОЛИ непосредсгвонпо определяется максимумом ЭМО эф-[еита ñ продольной геометрии и составляет Лф* О 1Z при В/см. Минимизация потенциала W позволиларассчигагь ориентаиион-ные зависимости ЭМО эффекта и эффекта Фарадея в поперечной геометрии и найти наилучшее согласие с экспериментом при следующем ".if":1» мараме гров « - 2350 Э, а - - 2200 Э, <р- 0 12°, Л«и- 3. 9 Э.

Дар- 4.0 Э. ЭМО эффект в пленках типа (210) примерно в 700 раг

больше наблюдаемого в Сг,0_. Как показал расчет, МЭ коэффициент

-2

в пленках (210) характеризуется величиной «10 в Гауссовской системе единиц, что на порядок выше, чем в Сг203. Среди известных в настоящее время кагнитоэлектриков в пленках с ромбической анизотропией МЭ эффект инеет максимальную величину при комнатной температуре. Величина ЭМО эффекта при приложении к системе пленка-подложка напряжения «100 В составляла «0.5°, что сравнимо с величиной эффекта Керра в магнитных материалах,используемых для создания устройств памяти и обработки информации.

В разделе 3.5 рассмотрен МЭ эффект в отдельных магнитных доменах и областях, содержащих доменную стенку в пленке типа (210). Так же>как и в нонокристаллах ферритов-гранатов, в отсутствие магнитного поля в пленках наблюдается большой по величине ЭМО эффект разного знака в доменах с потивоположно направленной намагниченностью. Величина ЭМО эффекта остается примерно постоянной в режиме движения доменных стенок и плавно уменьшается в режиме вращения намагниченности. ЭМО эффект, связанный с движением доменных стенок, также наблюдается в эпитаксиальных пленках, причем эффект от плоских участков доменных стенок значительно меньше, чем от участков, обладающих кривизной.

В разделе 3.6 рассмотрены возможные механизмы линейного ЭМО эффекта в пленках ферритов-гранатов. Наблюдение линейного ЭМО эффекта в пленках свидетельствует об отсутствии центра симнетрии в их кристаллической структуре. Понижение симметрии может быть связано: 1. с неоднородными деформациями пленки подложкой и 2. преимущественным заселением примесными ионрми определенных позиций в структуре граната при росте пленок. Проявление механизма неоднородной деформации иллюстрируется на примере простой модели магнитной анизотропии.

В разделе 3. 7 приведены результаты исследовании генерации второй оптической гармоники (ВОГ) в эпитаксяальных пленках ферритов-гранатов. Отсутствие центра инверсии в группе симметрии кристалла является необходимым условием возможности генерации второй оптической гармоники электрического типа, описываемой

тензором нелинейной оптической восприимчивости j;. который

нл J

связывает компоненты нелинейной поляризации Р^ на удвоенной

частоте 2ы с компонентами электрического поля Е. Xjj^E.E.)

X X lj\ 1 к

на основной частоте ь>. исследования генерации второй гармоники, в частности ее поляризационных зависимостей, проводятся для изуг чения структуры- кристаллов, поскольку отличие от нуля тех или иных компонент тензора Xi -v определяется точечной группой сим-натрии кристалла.

феноменологический анализ генерации ВОГ в пленках. о. определение вида тензора проводился в предположении, что ре- JK

альная группа симметрии содержит только те элементы точечной i-рушш 4öpp;:r:;--Tr4,»"»Ton тЗга. которые оставляют пленку- неизменной, т. е. au ;i3:tc:irr;rr "»правление нормали к поверхнисгк «да«ня (направление роста), поэтому группа является полярной и операции инверсии запрещена. В этом случае симметрия пленок типа (ill) -

С_ . а пленок типа 1210) - С... Угловая зависимость интвнсивнос-3v In

ти ВОГ при нормальном падении света описывается выражением:

9.

I - [cos(3<p + сс) + T(3cosacos(p - sinasini>) ] , где <р - угол, задающий поворот пленки вокруг нормали к поверхности, а - угол между поляризатором и анализатором, Т-

Для ппенок типа (210) и Т-О для пленок типа (111). Экспериментальные угловые зависимости ВОГ для пленок типа (210) и (1Д1) показаны на рис.7. Хорошее совпадение экспериментальных и расчетных зависимостей показывает, что реальная симметрия пленок определяется плоскость» подложки и направлением роста. Величина интенсивности БОГ в пленках типа (210) примерно на два порядка больше, чем в пленках типа (111), что коррелирует с величиной ЭМО эффекта в этих пленках. Температурная зависимость интенсивности ВОГ показывает, что в температурном интервале 300-400 К ВОГ не зависит от температуры и, следовательно, не связана с магнитной подсистемой плонок.

Глава 4 посвящена исследованию линейных и квадратичных магнитооптических явлений в ортоферрите иттрия.

В разделе 4. 1 рассмотрены структура, магнитные, оптические к магнитооптические свойства VFeO,.

В раздело 4. 2 проведено феноменологическое рассмотрение магнитооптических явлений в слабом ферромагнетике YFe03- Получен явный вид линейных и квадратичных по векторам m и 1 добавок в синнетричную и антисимметричную часть тензора е^ в области прозрачности. Поскольку в слабых ферромагнетиках компоненты векторов m и 1 ( в случае YFe03 mz и 1х) преобразуются по одному неприводимому представлению, они оба могут давать вклад в ЭФ и выражение для вектора гирации имеет вид:

где a^jH'j " ферромагнитный, " антиферромагнитный вклад в

ЭФ. В YFeO, отличны от нуля компоненты «... & и я . Разделе-j д. i xz z х

ние ферро- и антиферромагнитного вкладов возможно при изучении полевых зависимостей Эф в YFeOy поскольку магнитное nene по-разному влияет на вектора га и 1. Получены выражения для полевых зависимостей ЭФ в YFeO^ в случае, когда вектора к и К расположены в плоскости ас (xz) кристалла. При (H[<20 кЭ полевая зависимость относительного ЭФ в(Н)/е(0) описывается выражением

2'

0(Н)/в(О)- 1 + рн + qH , где коэффициенты р и q определяются компонентами «^j. '¿j (диамагнитный вклад) и зависят от

ориентации векторов К и H по отношению к осям кристалла. Также приводятся выражения для полевых зависимостей магнитного линейного двупреломления (НЛД) при распространении света вдоль различных кристаллографические направлений в YFeOj.

В разделе 4.3 приводятся результаты исследования анизотропного НЛД в YFeOj. Полевые зависимости МЛД являютсА четными функциями магнитного поля и зависят от направления намагничивания. Приложение поля H вдоль оси х вызывает поворот векторов m и 1 в плоскости хг на угол <р, линейно зависящий от Н. Изменение МПД, связанное с поворотом векюров m и 1, пропорционально sin ф, поэтому в эксперименте цабг.юдаются сильные квадратичные по и зависимости, связанные с анизотропией НЛД. При Wz поворот векторов m и 1 отсутствует и изменения НЛЯ характеризуются слабыми линейными зависимостями от !(. Поворот m и 1 при Них вызывает также вращение главных осей индикатрисы, которые проявлялись в поворо-

те плоскости поляризации света, поляризованного вдоль главны* направлений при Н-О. Полученные экспериментальные зависимости хорошо описываются феноменологической теорией, что позволило получить значения феноменологических коэффициентов или их комбинаций. Величина анизотропного магнитного вклада в тензор с. . л - 3

'/КеО^ Лс«8-10 , что на порядок больше, чем в ферритах-гранатах.

Раздел 4.4 посвящен разделению ферро- и антиферромагнитного вклада в эф в 'хТеО^. Если пренебречь диамагнитным вкладом в Эф, это разделэние легко провести, измеряя полевые зависимости в геометрии кШИг, поскольку магнитное поле изменяет линейным образом пи и практически не меняет 1. Сравнение экспериментальных полевых зависимое^«.". .тп"с-т»яккпго ЭФ ( Н)/0р( О) ) и слабого момента га (п<Н)/пц и)) а \TcOj по^ччало. что изменения ЭФ н« пропорциональны изменениям т и антиферромагнитный вклад в эф »

- з

(3.59+0.05)•10 примерно в семь раз больше ферромагнитного «

- з

(О. 51±0. 05)-10 . Более корректная оценка требует проведения экспериментов, исключающих возможное проявление диамагнитного вклада в ЭФ Такие эксперименты были проведены- в геометриях кхН, каг и клН, кг=»40°. Расчеты показали, что антиферромагнитный

-3

вклад в ЭФ характеризуется значением (3.510.5) >10 , а ферромаг-

- 3

китнын-! 0. 93г0. 55) • 10 , что и» противоречит результатам, полученным в продольной геометрии. Кроме того, показано, что антиферромагнитный вклад обладает сильной анизотропией, т. е.

В разделе 4.3 описана микроскопическая теория антиферрокаг-нитного ЭФ, развитая А. С. Москвиным и а. В. Зонкобым, в которой большая величина и сильная анизотропия антиферромагнитного вклада объясняется проявлением обкенно-релятивистского взаимодействия "спин-чужая орбита".

В разделе 4.6 теоретически показана возможность управляемого преобразования линейной поляризации света в круговую в У^сО^. Изменение типа круговой поляризации ст+ или <т_ осуществляется путем перемагничивания кристалла. Экспериментальная проверка проводилась на установке, представляющей собой магнитооптический переключатель оптических каналов. При использовании плас-

1

ткнок УТеО . толщиной ^150 икн, нормаль п которых составляла »7

к направления оптической оси, была получена эффективность переключения <«50 дЕ. Оптические потери составили »14 дБ.

Глава 3 посвящена описанию методик измерения и приготовлению образцов. В разделе 5.1 описан лазерный поляриметр для измерения интегрального ЭНО эффекта. Поляриметр основан на использовании балансной схемы, предложенной в (7 ]. Измерения поворотов плоскости поляризации проводились компенсационным методом с чувствительностью "0. 05" ДЛЯ Х«1. 15 нкм И 0.005" для А-0. 63 МКМ-Использование компенсационное схемы обеспечивало независимость сигнала от интенсивности лазерного излучения и позволяла непосредственно измерять поворот в угловых единицах. Специальный вариант фотоприемного устройства был разработан для измерения ЭНО эффекта в кристаллах и пленках ферритов-гранатов, когда имеются большие статические повороты плоскости поляризации за счет ЭФ. Разработанное устройство позволяло одновременно проводить измерения ЭИО эффекта и ЭФ без потери чувствительности из-за разбаланса оптических каналов дифференциального фотоприемника.

В разделе 5.2 описан поляриметр для проведения локальных измерений ЭНО эффекта. Установка представляла собой комбинацию лазерного поляриметра и поляризационного микроскопа с разрешающей способностью «0.7 мкм. Установка позволяла наблюдать на экране телевизора доменную структуру кристалла и с помощью диафрагмы вырезать из изображения области диаметром «2.5 мкм. Перемещая диафрагму в двух взаимно перпендикулярных направлениях, можно было измерять зависимости ЭНО эффекта и ЭФ от координат.

В разделе 5.3 описаны установки для измерения НЛД и кругового дихроизма в отражении. Измерение двупреломления проводилось обычной схемой с использованием пластинки Л/4 и Фарадеевского модулятора поляризации. Чувствительность измерений Лп определялась чувствительностью измерений поворотов плоскости поляризации ("10") и для толщины кристалла »1 мм составляла «10 . Для измерения кругового дихроизма в отражении для модуляция поляризации использовался электрооптмческий модулятор, на который подавалось переменное напряжение 1.51^.,, что позволяло проводить измерения на третьей гармонике модулирующего напряжения ляп увеличения

чувствительности использовалась специальная схема подавления шумов и чувствительность измерений кругового дихроизма составляла «10

В разделе 5.4 описана методика проведения полевых и температурных измерений. Температурные измерения проводились в диапазона 40-550 К. Для проведения магнитополевых измерений применялись электромагниты с максимальным магнитным полек от 2 до 20 кЭ. Для приложения электрического поля на образцы наносились прозрачные электроды из платины или золота, к которым прикладывалось постоянное или переменное электрическое напряжение. Диапазон использованных электрических полей составлял (0-8)кВ/мм.

В разделе 5. 5 описаны методы приготовления образцов.

выводы

В представленной работе экспериментально, с поля-

риметрических исследований, показано существование новых оптических явлений, связанных с проявлением магнитной симметрии в оптике нагнитоупорядоченных кристаллов. Дано теоретическое описание этих явлений. Разработано новое направление в магнитооптике - электромагнитооптика нагнитоупорядоченных кристаллов. Основные результаты исследований можно сфорнулировать следующим образом:

1. Созданы лазерные поляриметрические установки для исследования

электроиагнитооптических эффектов в магнетиках с чувствительностью

- 2

измерений поворотов плоскости поляризации порядка 10 угл. сэк. , позволяющие проводить исследования на пропускание и отражение в широком диапазоне температур, магнитных и электрических полей. Установки могут работать в режиме автокомпенсации и снабжены поляризацион!(ык микроскопом для визуализации магнитных доменов.

2. В антлфорромягнптике Сг.,0, исследовано невзаимное вращение

плоскости поляризаций спета, индуцированное электрическим полон Установлено, что это явление существует только и магнитоупорндо-ченной фазе кристалла и его знак определяется типом антиферромагнитного домена. Величина эффекта на длине волны Л- 1. 15 нкм при го к. характеризуется змяччниом « 40"/кВ. Показано, что

температурное повеление невзаимного вращения сушественно отличается от магнитоэлектрической восприимчивости, что свидетельствует о различных механизмах этих явлений.

3. Проведено феноменологическое описание линейного по электрическому полю НВ в Сг203- Показано, что в образовании эффекта могут участвовать два различных механизма, один из которых связан с компонентами намагниченности, появляющейся за счет магнитоэлектрического эффекта, другой связан с компонентами вектора антиферромагнетизма 1(И его вклад описывается членами типа в тензоре диэлектрической проницаемости. Последний можно рассматривать как антиферромагнитный эффект Фарадея, индуцированный электрическим полек. На основании экспериментальных результатов проведено разделение этих вкладов и показано, что на длине волны X»1.15 мкм антиферромагнитный вклад в кевзаимное вращекие существенно превосходит ферромагнитный.

3+

4. На примере электродипольного перехода в ионе Сг рассмотрены

микроскопические механизмы линейного по электрическому полю НВ в

Сг203- Показано, что механизм образования антиферромагнитного

вклада в НВ связан с проявлением обменного взаимодействия, спин-

орбитального взаимодействия и "псевдоштарковского расщепления"

3 +

электронных состояний иона Сг в антиферромагнитной фазе Сг2Оэ-

5. В Сг2°з обнаружен нелинейный эффект невзаимного вращения плоскости поляризации света, квадратичный по электрическому и линейный по магнитному под». Эффект наблюдается в многодоменном состоянии кристалла, а также в узкой области температур вблизи фазового перехода. Показано, что в' многодоменном состоянии эффект обусловлен перераспределением объемов АФМ доменов в образце в присутствии внешних полей, т. е. движением антиферромагнитных доменных стенок. Вблизи Т^ эффект обусловлен движением межфазных границ.

в. Проведены оптические исследования магнитного фазового перехода в Сг^О^. Показано, что переход в, антиферрпмагнитное состояние является переходом первого рода,близким кп второму определены магнитные вклады в линейное дяунреломление света ня ллинр волны Х-1.13 мкм , вычислены кригичяские и<тл»кгы

7. Обнаружен невзаимный спонтанный поворот оптической индикатрисы при переходе Сг203 в антиферромагнитное состояние. Знак эффекта зависит от условий магнитоэлектрического отжига и определяется типом антиферромагнитного домена. Феноменологически эффект описывается членами типа ^^ в тензоре диэлектрической проницаемости, которые обуславливают эффект гиротропного двупре-ломления---------------------------------------------------- ----------------------------------------

8. Обнаружены эффекты спонтанного невзаимного поворота плоскости

поляризации света и кругового дихроизма в отражении о. Сг^О3-

Эффекты наблюдаются в антиферрокагнитной фазе при Т<ТМ и знак

эффектов определяется типом антиферромагнитного домена. Согласно

феноменологической теории существование этих эффектов связано с

проявлением магнитоэлектрической восприимчивости в оптическом

диапазоне. Величина НЭ восприимчивости на длине волны Л- О. 63

-4

мкм при Т-260 К имеет порпдок » 10 , что сравнимо со значениями статической МЭ восприимчивости. Большая величина аиэ в оптическом диапазоне может быть связана с резонансным усилением эффекта на электронных переходах, разрешенных в электро - и магнитоди-польном приближении.

9. В монокристаллах иттриевого и иттрий-галлиевого феррита-граната обнаружен эффект невзаимного вращения плоскости поляризации света, квадратичного по электрическому полю и нечетного относительно магнитного поля. Показано, что основной вклад в это явление обусловлен изменением намагниченности образца под дейст-оибм электрического поля за счет магнитоэлектрического эффекта Интегральный электромагнитооптический эффект, измеряемый с пространственным разрешением>значительно превосходящим размеры доменов. является по существу оптическим аналогом магнитоэлектрического эффекта, измеряемого индукционными и емкостными мотодани. Интегральный электромагнитооптический эффект при комнатной

- 7 2

температуре характеризуется величиной * 2. 1*10 рад мм/кВ и обладает сильной анизотропией.

10. С помощью оптической методики впервые проведены исследования магнитоэлектрического эффекта и отдельных магнитных доменах иттриевого н иттрий- галлиевого феррита-граната. Показано су-

ществование большого по величине магнитоэлектрического эффекта в отсутствие магнитного поля в отдельных магнитных доменах. Определены магнитоэлектрические коэффициенты в отдельных доменах для иттриевого и иттрий-галлиевого феррита-граната в различных режимах намагничивания. Обнаружен электромагнитооптический эффект, связанный с движением дохенных стенок в присутствий постоянного магнитного и переменного электрического поля. Показано, что амплитуда движения стенки определяется величинами приложенного электрического и магнитного поля, местонахождением стенки в кристалле и зависит от ее кривизны.

11. Проведено теоретическое описание магнитоэлектрического и электромагнитооптического эффекта в отдельных доменах кубического магнетика, основанное на учете влияния электрического поля на параметры кубической магнитной анизотропии. Показано, что электрическое поле влияет на направление осей легкого намагничивания кристалла, что определяет величину ЭМО эффекта в доменах в режиме. движения доменных стенок. Определены величины феноменологических параметров теории для иттриевого и иттрий- галлиевого феррита-граната.

12. В эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов обнаружен линейный по электрическому полю невзанмныВ поворот плоскости поляризации света, обусловленный линейным магнитоэлектрическим эффектом. Существование такого эффекта свидетельствует о том, что в кристаллографической _структуре пленок отсутствует центр инверсии. Отсутствие центра инверсии в кристаллической структуре пленок подтверждается наблюдением в исследованных пленках второй оптической гармоники. В пленках с ромбической магнитной анизотропией обнаружен "гигантский" магнитоэлектрический эффект, линейный по электрическому полю. Величина ЭМО эффекта при комнатной температуре характеризуется значением <* 17 "/В.

13. Проведено теоретическое описание магнитоэлектрического и электромагнитооптического эффекта в пленках ферритов-гранатов. Показано, что существование этих эффектов связано с влиянием электрического поля на параметры, характеризующие магнитную анизотропию пленок - направление оси легкого намагничивания, вели-

чины констант одноосной и ромбической анизотропии. Для пленок с одноосной и ромбической анизотропией определены параметры, описывающие изменение магнитной анизотропии в электрическом поле. - 14.- Проведено феноменологическое рассмотрение линейных и квадратичных магнитооптических эффектов в слабом ферромагнетике YFeOy Получен явный вид компонент тензора диэлектрической проницаемости с^у с учетом вкладов векторов ферро- и антиферромагнетизма и выражения, описывающих эффект Фарадея и анизотропию магнитного линейного двупреломления в этом кристалле. предложен способ разделения ферромагнитного и антиферромагнитного эффектов Фарадея.

15. Впервые проведено экспериментальное исследование линейного магнитного двупреломления в слабом ферромагнетике YFe03 определены магнитооптические коэффициенты, описывающие анизотропию этого эффекта.

16. На основании экспериментальных исследований полевых зависимостей эффекта Фарадея в YFeo3 в различных геометриях проведено разделение ферро - и антиферромагнитного эффекта Фарадея. Показано, что основную роль в образовании эффекта Фарадея в YFe03 играет антиферромагнитный вклад.

17. На основе YFeO^ разработан и экспериментально исследован магнитооптический переключатель и преобразователь поляризации света из право - в левоциркулярную.

Список литературы по теме диссертации

1. Кричевцов Б. Б. , Павлов В. В. , Писарев Р. В. Линейное и квад-

ратичное по электрическому полю невзаимное вращение плоскости поляризации света в антифйрромагнетике Сг203// Письма в ЖЭТФ, 1986, Т. 44. Б. 10. С. 471-474.

2. Кричевцов Б. Б. , Павлов В. В. , Писарев Р. В. Невзаимные оптические явления в антиферромагнетике Сг2°з 8 электрических и магнитных полях// ЖЭТФ, 1988. Т. 94. В. 2. С. 284-295.

3. Кричевцов Б. Б. , Павлов В. В. , Писарев Р. В. Линейные и квадратичные по антиферромагнитному моменту оптические явления в антиферромагнетике Сг^О^// Оптика анизотропных сред. Межвед. сб. , МФТИ, 1988. С. 78-80.

4. Pisarev R.V., Krichevtsov В.В., Pavlov V.V. Optical study of the antiferromagnetic-paramagnetic phase transition in chromium Oxide Cr203// Phase Transitionsm, V.37, P.63-72.

3. Pisarev R.V., Krichevtsov B.B., Pavlov V.V., A.G.Selitsky, Electromagnetooptical effects in ferri- and antiferromag-nets//Abstracts of Int.Syop.on Magneto-Optics, Kyoto, Japan, 1987.P.94.

6. Pisarev R.V., Krichevtsov B.B., Pavlov V.V., Selitsky A.G.

Electromagnetooptical effects in ferri- and antiferromagnets//

J.Magn.Soc.Jpn., 1987, V.ll. N SI. P.33-38.

7. Krichevtsov B.B., Pavlov V.V., Pisarev R.V., Gridnev V.N. Spontaneous non-reciprocal reflection of ligth from antiferromagnetic Cr203//J.Phys.: Condens.Matter, 1993,V.5, P.8233-8244.

8. Крнчевцов Б. Б., Писарев Р. В., Селицкий Л. Г. Механизмы электромагнитооптического эффекта в иттриевом феррите-гранате// 4>ТТ. 1988. Т. 30. С. 2129-2147.

9. Крнчевцов Б. Б. . Писарев Р. В. , Селицкий А. Г. Электромагнито-

оптический эффект в феррите-гранате иттрия// Письма в ЖЭТФ, 1985, Т. 41. В. 6, С. 259-261.

10. Кричевцов Б. Б. , Писарев Р. В. . Селицкий А. Г. Влияние электрического поля на процессы намагничивания в иттриевом феррите-гранате// КЭТ4>, 1992. Т. 30. С. 1056-1072.

11. Кричевцов Б. Б. , Писарев Р. В. , Селицкий А. Г. Новые оптические явления в магнетиках// Тез. докл. XYIII Всесоюзн. конф. по физике магн. явл. Калинин, 1988, С. 16-17.

12. Кричевцов Б. Б. , Писарев Р. В. , Селицкий А. Г. Электромагнитооптический эффект в иттриевом феррите-грана-те//Тез. докл. XYII Всесоюзной конф. по физике магн. явл. Донецк, 1985. С. 256-257.

13. Кричевцов Б. Б , Прилов В. В. , Писарев Р. В. Линейное влияние

электрического поля на процесс») намагничивания эпитаксиаль-ных пленок ферритов-гранатов// »ГТ, 1989. Т. 31, В. 7, С. 77-88.

14. Кричевцов П. К. , Павлов В. В. , Писарев Р. В. Влияние электрического поля на процессы намагничивания и электро-

магнитооптический эффект в эпитаксиальных пленках и кристаллах ферритоЕ-гранатов// Тез. докл. XI Всесоюзн. школы____сенинара "Новые нагнитные материны микроэлектроники";

Ташкент, 1988. С . 274- 275.

15. Кричевцов Б. Е. , Павлов В. В. , Писарев Р. В. , Селицкий А. Г. Воздействие электрического поля на ориентационные фазовые переходы в монокристаллах и пленках ферритов-гранаточ// Тез. доклада II Всесоюзного семинара "Магнитные фазовые переходы и критические явления" Махачкала, 19В9. С. 1.3-50.

16. Pavlov V.V., Krichevtsov В.В., Pisarev R.V. Magnetoelectric effects in epitaxial films of ferromagnetic garnets// Bulletin of A.F.Ioffe PTI, 1990. P.11-12.

17. Pisarev R.V., Krichevtsov B.B., Pavlov V.V., Selitsky A.G. Magneto-optical study of magnetoelectric interaction in magnetic garnets//abstracts of Int.Syrop.on Magneto-Optics, Kharkov, 1991, P.135.

18. Pisarev R.V., Krichevtsov B.B., Pavlov V.V., Selitsky A.G.

Electric field action on magnetisation and domain wall movement in magnetic garnets//Proc.Int.Conf.on Magn., Edin-burg, 1991. P.101.

19. Кричевцов Б. Б. , Клин В. П. , Павлов В. В. , Писарев Р. В. Воздействие электрического поля на процессы намагничивания монокристаллов и эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов// Тез. Всесоюзной конф. по физике магнитных явлений. Ташкент, 1991. С. 56.

20. Кричевцов Б. Б. , Павлов В. В. , Писарев Р. В. , Селицкий А. Г. Оптические исследования магнитоэлектрических эффектов в монокристаллах и эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов// Тез. докл.XII Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Новгород, 1990. С. 60-61. 192.

21. Кричевцов Б. Б. , Павлов В. В. , Писарев Р. В. Гигантский линейный магнитоэлектрический эффект в пленках ферритов-гранатов// Письма в ЖЭТФ. 1989. Т. 49. В. 8. С. 466-469.

22 Pisarpv R.V., Krichevtsov В.В., Pavlov V.V., Selitsky A.G. Optical study of magnetoeJectriс interaction in bulk crys-

tals and epitaxial thin films of ferrimagnetic garnets// Program abstracts of INTERMAG-90, Brighton, 1990. P.56.

23. Krichevtsov B.B., Pavlov V.V., Pisarev R.V., Selitsky A.G. Linear magnetoel.ectric effect in magnetic garnet thin

films//Ferroelectrics. V.159. P.250-255.

24. Pisarev R.V., Krichevtsov B.B., Gridnev V.N. et al. Second harmonic generation in epitaxial garnet thin films//

J.Phys.:Condens.Matter, 1993, V.5, p.8621-8628.

25. Кричевцов Б. Б. , Писарев Р. В., Рувинштейн М. М. Анизотропия линейных квадратичных магнитооптических эффектов в ортофер-рите VFe03// ФТТ, 1980, Т. 22, В. 7. С. 2128-2134.

26. Кричевцов Б. Б. , Мукимов К. И. , Писарев Р. В., Рувинштейн И. И. Антиферронагнитный и ферромагнитный эффект Фарадея в ортоферрите иттрия УРеС>3//Письма в ЖЭТФ, 1981. Т. 34. В. 7. С. 399-402.

27. Зенков А. В. , Кричевцов Б. Б., Москвин А. С. и др. Анизотропия эффекта Фарадея в слабом ферромагнетике YFe03// ХЭТФ, 1989. Т. 96. В. 4(10). С. 1397-1405.

28. Кричевцов Б. Б. , Писарев Р. В. Управляемое преобразование линейной поляризации света в круговую в кристаллах обладающих двупреломлением и эффектом Фарадея//Письма в ЖТФ, 1986. Т. 12. В. 7. С. 422-427.

29. Selitsky A.G., Krichevtsov В.В., Pisarev R.V. Magnetoelect-ric effect within individual domains and domain walls in Yttrium Iron Garnet Y3Feg012// Ferroelectrics, 1994. V.159. P.235- 244•

Список цитированной литературы

1 . Астров Д. н. О магнитоэг^ктрическом эффекте в антифарромаг-

нетиках// *ЭТ«>, I960, Т. 38, В. Э. С- 984-BBS.

2. Дзялошинский И. Е. К вопросу о магнитоэлектрической эффекте в-

антвферромагнетиках// ЯЭТ*, 19S9. Т. 37. 0. 881-882.

3. O'Dell Т.Н., White E.A.G. Electric field induced Fataday

rotation in chromium oxide// Phil.Mag., 1970. V.22, N177.

P.649-653.

4. Hornreich R.H., Shtrikman S. Theory of gyrotropic biref-

ringence// Phys.Rev. , 1968, V.171. P.1065-1074.

Писарев P. В Оптическая гиротропия и двхлучепрвломление магнитоупорядоченных кристаллов// ЖЭТФ, 1970. Т. 38. В. 4. С. 1421- 1427.

3. Дружинин В.В., Черепанов В.И. К теории "псевдоштарковского" расщепления н-линий в рубине// ФТТ. 1984. Т. 6. С. 249S.

7. Запасскнй B.C. Негоды высокочувствительных поляриметрических измерений// 8ПС, 1982. Т. 41. С. 181-198.