Магнитооптическая спектроскопия ферромагнетиков на основе 3d- и 4f-элементов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ



"|1 Г1оезйАИ¥М ВАК Росс'и!

Физический факультет

(решение

«а ;

присудил ученую степень Дйа^Зс |0>1и(й'--;:

Н^яйЯьник управления ВАК России к

ГУЩИН Владимир Сергеевич МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ НА ОСНОВЕ Зе1- И 4/ ЭЛЕМЕНТОВ.

(01.04.11 - Физика магнитных явлений)

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор В.И. Ожогин доктор физико-математических наук,

профессор А.И. Попов доктор физико-математических наук,

профессор П.Н. Стеиенко

Ведущая организация; Институт физики им. Л.В. Киренского

РАН СО, г. Красноярск

Защита диссертации состоится "_ / специализированного совета Д.053.05.40 1 степени доктора физико-математических нау>. 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Криогеда

С диссертацией в виде научного доклада мохе факультета МГУ

Диссертация в виде научного доклада разослана «IV " ¡пи^рш 1993 г

Ученый секретарь ■уч >,

специализированного совета Д.053.05.40

при МГУ им. М.В. Ломоносова — > г\ < ) /1 А

А 1 Ц " ! "" ^ Ч

доктор физико-математических наук, ' ^

профессор С.А. Никитин

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 ейязи 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, казалось бы, создает непреодолимые трудности 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 фоно-нов, связывающие.энергию частицЕ 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 раз-личнь"- экспериментальные методы. :

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 спектросксйпии связаны с тем, что наиболее важные межзонные ■ч.-рвалы, интервалы между отдельными уровнями и их компонентами, энергии обменного срин-орбитального расщепления ¡энергетических зон ферромагнетика попадают в оптиче--. '^область спекгра. МО методам присуща уникальная особенность - это, в принципе, ди-сские методики, которые «есут отклик электронной системы на модуляцию вектора - танной намагниченности." что обеспечивает высокую чувствительность, характерную коех дифференциальных методик. Эти методы, несмотря на долгую жизнь, продолжают г ; фшенствоваться как в методическом отношении, так и в чисто научном плане. В подав-

I.

Ц - :

ляющем 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 маг-нитоупорядоченных систем охватывают широкий круг актуальных вопросов, касающихся проблем физики магнитных явлений, электронной энергетической структуры ферромагнитных металлов и сплавов, энергетического спектра магнитоактивных ионов ферродиэлектри-ков 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.. '■■•>; .:•,.-■..■•

Оптические и МО исследования магнитоупорядоченных систем в настоящее время ведутся во многих научных центрах у нас и за рубежом. В России впервые МО исследования ферромагнетиков были выполнены в МГУ в середине пятидесятых ;рэдов [: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, ИРЗ, ИФСО, университеты Екатеринбурга, Перми, Твери и др.). Расширился,и круг объектов, который включает магнитоупорядоченные диэлектрики, полупроводники, полуметаллы,, окислы, магнитные жидкости, композиционные магнитные материалы и т.д., МО методики вне-

дрены в разнообразные узлы и системы микроэлектроники. Можно сказать, что изучение МО эффектов и МО свойств вещества является в настоящее время важным направлением в физике твердого тела и в физике магнитных явлений, имеющим большое научное и прикладное значение.

Представленная диссертация содержит результаты исследований, выполненных автором на кафедрах магнетизма и общей физики физического факультета МГУ, начиная с ¡965 г. Исследования были в основном направлены на проблемы, которые были недостаточно разработаны или ранее не ставились.

Цели и задачи работы. Основные цели нашей работы состоят в установлении фундаментальной связи магнитной структуры и магнитного упорядочения с оптическими явлениями; в восстановлении электронного энергетического спектра ферромагнетиков, определении зонных параметров и энергий обменного и спин-орбитального (СО) взаимодействий; в выявлении природы МО активности редкоземельных ферритов-гранатов (РЗФГ) и механизмов формирования спектра поглощения в РЗФГ; в установлении закономерностей и особенностей магнитного линейного и кругового двупреломления. в решении ряда новых задач взаимодействия света с низкоразмерными структурами.

Основные задачи диссертационной работы включали:

- изучение частотной зависимости экваториального эффекта Керра и ориентационного магнитооптического эффекта классических ферромагнетиков N1, Со, Ре при низких температурах в широком диапазоне энергий световых квантов,

- комплексные исследования оптических и МО свойств аморфных сплавов и их кристаллических аналогов и изученйе деформации спектра межзонных состояний ферромагнетиков при фазовых структурных превращениях;

- исследование магнитного линейного и кругового двупреломления и дихроизма редкоземельных ферритов-гранатов европия и тербия в области полос поглощения;

- исследование МО активности редкоземельных ионов в структуре феррита-граната путем изучения температурных, полевых и спектральной зависимостей эффекта Фарадея в ряде чистых редкоземельных и смешанных Ег-У и Ш-У ферритах-гранатах;

- низкотемпературные спектральные исследования оптического поглощения однопод-решеточными октаэдрическими и тетраэ^рическими ферритами-гранатами и ферритом-гранатом иттрия с целью выяснения механизмов сильного поглощения магнитоупорядочен-ными кристаллами ферритов-гранатов;

- комплексное экспериментальное и теоретическое изучение оптических, магнитооптических, магнитных свойств и ферромагнитного резонанса и численного моделирования этих свойств в магнитных мультислойных пленках и гранулированных структурах;

- развитие и реализацию новых МО методик низкотемпературных исследований магнитооптических эффектов в отраженном и в проходящем свете.

Научную новизну работы определяют разработанные в диссертации новые подходы и методы, применение которых в исследованиях взаимодействия оптического излучения с магнитоупорядоченными твердыми телами позволило впервые получить ряд важных результатов:

- предсказан и обнаружев в ферромагнетиках новый квадратичный по намагниченности ориентациониый магнитооптический эффект (ОМЭ);

-обнаружен ряд особенностей в магнитооптических спектрах №, проведено их отождествление с краями межзонных переходов, определены межзонные параметры и энергии обменного и спин-орбитального расщепления и .у-р-зон никеля;

- впервые обнаружено явление невзаимности спектров линейного магнитного двупре-ломления и дихроизма в области полос поглощения РЗ ионов в структуре феррита-граната;

- впервые обнаружено явление аномальной анизотропии оптических свойств кубического кристалла феррита-граната, намагниченного вдоль оси второго порядка;

-- впервые установлено, что гироэлектрический ЭФ в ФГ ЕгхУз.хРе5012 связан с прямыми межконфигурационными переходами в ионах Ег3+ и что нерезонансный вклад разрешенных злектродипольных переходов в МО активность ионов Ег3+ определяется одноконными процессами;

- однозначно установлена определяющая роль двухчастичных процессов в формировании спектра фундаментального поглощения редкоземельных ферритов-гранатов и ФГ иттрия;

- впервые исследованы МО свойства ряда систем гранулированных магнитных структур и дано объяснение дисперсии МО спектров в модели приближения эффективной среды с учетом размера и формы магнитных гранул;

- впервые в аморфных сплавах на основе Ъ<1~ ферромагнетиков обнаружена частотная независимость МО спектров, которая объяснена деформациями кривой межзонной плотности состояний при фазовом переходе сплава из кристаллического состояния в аморфное; сделаны выводы о характере изменений электронного энергетического спектра сплава при изменении его композиционного состава и при фазовом структурном переходе.

Положения, выносимые на защиту.

1. Ферромагнитные ¡(¡-металлы:

- результаты изучения предсказанного и обнаруженного в ферромагнитных металлах нового ориентационного магнитооптического эффекта, заключающегося в четном по намагниченности изменении интенсивности отраженного света, обусловленного СО расщеплением зон и имеющего ярко структурированную частотную зависимость и резкую анизотропию;

- экспериментальное обнаружение в низкотемпературных спектрах экваториального эффекта Керра (ЭЗК) и ОМЭ никеля особенностей, связанных со спин-орбитальным расщеплением энергетических зон ферромагнетика; их идентификация с краями межзонных переходов в модели зонной структуры ферромагнитного никеля, учитывающей расщепление и гибридизацию зон; определение межзоннных параметров, в том числе энергий обменного расщепления <3- и з-р-зон этого ферромагнетика.

2. Редкоземельные и одноподрешеточиые ферриты - гранаты:

- явление невзаимности спектров линейного магнитного двупреломления и дихроизма в области полос поглощения РЗ ионов в структуре феррита-граната, состоящее в том, что при поперечном намагничивании образца ( геометрия Фохта: к X I) любые два спектра поглощения для взаимнозаменненных взаимноперпендикулярных направлений I и Е существенно различаются;

- явление аномальной анизотропии оптических свойств магнитоупорядоченного кубического кристалла феррита-граната, состоящее в том, что намагниченный вдоль оси второго порядка в геометрии Фохта (к 1) кристалл ведет себя как оптически одноосный, а в геометрии Фарадея (к 111) - как оптически двуосный;

- вывод об определяющей роли двухчастичных процессов формирования спектра поглощения РЗФГ, установленный на основе экспериментальных исследований, в которых показано, что коэффициенты поглощения ФГ иттрия в широком диапазоне световых квантов на два порядка больше по сравнению с коэффициентами поглощения одноподрешеточных ФГ;

- результаты спектральных исследований эффекта Фарадея РЗФГ, в которых установлено, что обусловленный воздействием обменного поля подрешеток железа на волновые функции возбужденных состояний РЗ-ионов вклад механизма смешивания присущ всем ФГ, а в ряде случаев играет основную роль в формировании МО активности;

- экспериментальные результаты изучения ЭФ в системе смешанных Ег-У ферритов-гранатов, в которых установлена линейная концентрационная зависимость МО коэффициентов Се и Д что позволило сделать выводы о том, что, во-первых, гироэлектрический ЭФ связан с прямыми межконфигурационными переходами в ионах Ег3+ и, во-вторых, резонансный вклад разрешенных элеггродипольных переходов в МО активность ионов Ег3+ определяется одноионньши процессами.

3. Низкоразмерные ферромагнетики:

- установленные в МО экспериментах доказательства реализации в магнитных многослойных структурах сверхобменного взаимодействия, приводящего к антиферромагнитному упорядочению магнитных моментов соседних слоев ферромагнетика при определенных соотношениях толщин слоев ферромагнетика и парамагнетика;

- результаты впервые проведенных экспериментальных исследований оптических и магнитооптических свойств гранулированных магнитных структур, а также теоретических исследований, в которых в приближении эффективной магнитной среды дано объяснение частотной зависимости оптических и магнитооптических спектров от размеров, формы и концентрации магнитных гранул.

4.Аморфные ферромагнитные ставы:

. - результаты впервые проведенных экспериментальных исследований дисперсии оптических и магнитооптических свойств систем аморфных сплавов на основе Ре и Со и их кристаллических аналогов;

- объяснение наблюдаемой частотной независимости МО эффектов в видимой и близкой УФ областях спектра, как следствие деформации кривой межзонной плотности состояний при фазовом переходе сплава из кристаллического состояния в аморфное;

- выводы о характере изменений электронного энергетического спектра сплава при изменении его композиционного состава и при фазовом структурном превращении.

Научная и практическая значимость работы определяются тем, что ее выводы и положения вносят существенный вклад в развитие физических представлений о взаимодействии оптического излучения с намагниченным веществом; о формировании электронного энергетического спектра Зс^-переходных металлов и сплавов и его модификациях при фазовых структурных превращениях; об энергетических взаимодействиях и типах магнитного упорядочения в объемных и низкоразмерных ферромагнетиках; о структуре электронных

уровней; о природе и механизмах оптического поглощения; о характере оптической анизотропии на оптических переходах РЗ ионов в структуре ФГ и МО активности РЗФГ и т.д.

Перечисленные результаты являются не только основой для теоретических построений, но составляют научную основу для практических использований. Явление невзаимности, например, обнаруженное нами в линиях поглощения РЗ ионов в ФГ, может найти применение в функциональных (перестраиваемых) элементах интегральной оптики. Разработанные в диссертации методы низкотемпературных исследований МО эффектов и свойств на проходящем и отраженном свете - существенное расширение экспериментальных возможностей получения' информации об элекгронных уровнях и электронной энергетической структуре магнитоупорядоченных тел, а методика измерений ориентационного магнитооптического эффекта - новая возможность изучения квадратичных МО эффектов, их частотной зависимости и анизотропии, которая уже нашла широкое применение в научных исследованиях.

Апробация