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首先發現了磁光效應，他發現當外加磁場加在玻璃樣品上時，透射光的偏振面將發生旋轉的效應，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，發現了磁光克爾效應(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定的偏振激光器.如Bader等人采用的高穩定度偏振激光器，其穩定度小于0.1。也有用Wollaston棱鏡分光的方法，降低對激光功率穩定度的要求.Chappert等人的方案是將從樣品出射的光經過Wollaston棱鏡分為I和P偏振光，再經過測量它們的比值來消除光強不穩定造成的影響.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定造成的影響.本文給出的SMOKE新型測量系統，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展起來的新技術，是對傳統信息存儲技術的革新。開發更多、性能更加*，而且實用的磁光介質材料是當前信息存儲領域的一項重要的任務。測量磁光介質的克爾轉角則是研究這些材料的基本手段和方法。對于非開發人員來講，測量磁光克爾轉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將有更加深刻的理解，能啟發他們利用物理原理在信息存儲技術等領域提出新的設想，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薄膜表面時，部分光線將發生透射，透射光線的偏振面與入射光的偏振面相比有一轉角，這個轉角被叫做磁光法拉第轉角(θF).而反射光線的偏振面與入射光的偏振面相比也有一轉角，這個轉角被叫做磁光克爾轉角(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，即磁化強度與介質表面垂直時發生的克爾效應;(3)橫向克爾效應，即磁化強度與介質表面平行時發生的克爾效應.。

磁光克爾轉角的測量方法
對于已經寫入了信息的磁光介質，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角應為-θk。因此，如果偏振分析器的軸向恰好調整為與垂直于記錄介質的平面成θk夾角，那么在介質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了2θk的角度.這樣，如果我們在經過磁光介質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.如果把磁光介質附著在可旋轉的圓盤表面，就構成了磁光盤.磁光盤旋轉時，如果同時有單色偏振光聚焦在磁光盤表面，就可實現光線的逐點掃描，即信息被連續讀出。

磁光克爾轉角的測量裝置

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。

磁光介質材料極其θk的大小

隨著磁光信息存儲技術的發展，目前已經開發出多種磁光介質材料.在這些材料中比較優﹡的有:非晶態稀土一過渡金屬合金材料(例如Fe-co)、非晶態錳鉍鋁硅(MnBiA1Si)合金材料和非晶態錳鉍稀土(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，采取多層膜技術十分有效.磁光克爾轉角一般并不大，以鋱鐵鈷(1bFeco)合金薄膜材料為例，在室溫下其磁光克爾轉角僅為0.3L右。MnBiA1Si的磁光克爾轉角可達2.04。如果僅考慮磁光克爾轉角的大小，采用簡單工藝制備的MnBi合金薄膜的磁光克爾轉角達到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品的磁光介質以鋱鐵鈷(1bFeco)合金薄膜材料為主。

           常見磁性物質在室溫下的磁光克爾轉角