Fotomagnetyzm

Efekt fotomagnetyczny w cienkich warstwach YIG:Co

Wstęp 

Jednym z ciekawszych i nie do końca zbadanych zjawisk magnetycznych jest efekt fotomagnetyczny. Jedna z pierwszych prac poświęconych tematyce fotomagnetyzmu ukazała się pod koniec lat 60 [1]. W latach 70-80 intensywnie badania efektu fotomagnetycznego były prowadzone głównie w granatach itrowo-zelazowych (YIG) z różnymi domieszkami [2-9]. Związane było to z ogólnym zainteresowaniem granatem, jako bardzo ciekawym materiałem poznawczym, rokującym również nadzieję na zastosowanie w nowej generacji pamięci magnetycznych. W dzisiejszych czasach uwaga większości laboratoriów zajmujących się magnetyzmem skupiła się co prawda na supercienkich mono- i wielo- warstwach magnetycznych, ale granaty nadal pozostają atrakcyjne z ogólnopoznawczego punktu widzenia [10] i dziś są już uważane za klasykę w magnetyzmie. Solidna, obszerna wiedza na temat fizyki granatów i różnorodność bardzo ciekawych efektów w nich odkrytych, pozwala wykorzystywać je jako materiały modelowe w badaniach podobnych efektów w innych materiałach magnetycznych. Jednym z takich efektów jest także efekt fotomagnetyczny, obserwowany ostatnio w różnorodnych materiałach [11-13].

Pierwsze badania fotomagnetyzmu były przeprowadzone na materiałach YIG:Si. Efekty fotomagnetyczne obserwowano w szerokiej klasie materiałów: FeBO3, spinele, CdCr2Se4, granaty o różnych domieszkach, Ca3Mn2Ge3O12, szkła spinowe, metale, nadprzewodniki magnetyczne oraz inne materiały. Generalnie efekty fotomagnetyczne można rozdzielić na dwa główne typy: I – efekty niezależne od polaryzacji światła; II – efekty zależne od polaryzacji.

Początkowo efekt fotomagnetyczny obserwowano w temperaturach helowych i azotowych [1,2]. Następnie w pracach [12-13] obserwowano fotomagnetyzm w temperaturach powyżej temperatury ciekłego azotu. Jedynie w nielicznych pracach, poświęconych zależności temperaturowej efektu, przedstawiono badania w zakresie do 150 K w YIG:Si [12]. Powyżej temperatury 150 K efekt zanikał, co tłumaczono wartością energii aktywacji odpowiadającą tej temperaturze [12]. Jedne z pierwszych badań, poświęconych obserwacji fotomagnetyzmu zależnego od polaryzacji w temperaturze pokojowej w warstwach YIG:Co [14-16], zostały przeprowadzone w Zkładzie Fizyki Magnetyków Uniwersytetu w Białymstoku.

Wyniki badań

Struktura krystaliczna granatu itrowo-żelazowego Y3Fe5O12 zaliczana jest do kubiczno-przestrzennej grupy O10h . Komórka elementarna zawiera 8 jednostek formalnych o stałej sieci równej 1.25 nm. Kationy Fe3+ i Y3+ zajmują pozycje w tlenowych podsieciach trzech typów: tetraedrycznych (d) pozycjach, w otoczeniu czterech jonów tlenu O2-, oktaedrycznych (a) w otoczeniu sześciu jonów tlenu oraz dodekaedrycznych (c) z ośmioma jonami tlenu.

Badanie efektu fotomagnetycznego przeprowadzono na warstwie granatu itrowo-żelazowego domieszkowanego kobaltem, wapniem i germanem (YIG:Co).

Magnetooptyczny układ do badania efektów fotomagnetycznych, zbudowany w Zakładzie Fizyki Magnetyków, bazuje się na technikach: magnetooptycznej magnetometrii oraz magnetooptycznej mikroskopii. Pierwsza z wymienionych metod pozwala na pomiar zależności składowej prostopadłej (do powierzchni próbki) namagnesowania (uśrednionej po objętości w obszarze oświetlenia wiązką światła) w funkcji czasu, pola magnetycznego, temperatury, itp. Druga, magnetooptyczna mikroskopia, pozwala na analizę przestrzennego rozkładu magnetyzacji. Badania tą metodą prowadzono przy różnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego, temperatury, w trakcie i po oświetleniu próbki dodatkową wiązką światła wzbudzającą efekty fotomagnetyczne.

Układ pozwalał na zastosowanie trzech konfiguracji światła laserowego: 1) ciągu impulsów światła o zmiennej częstotliwości, 2) pojedynczego impulsu światła o regulowanym czasie, 3) światła ciągłego. Równolegle do wiązki laserowej przebiegała druga wiązka światła wychodząca od lampy halogenowej o niskiej mocy. Światło lampy halogenowej wykorzystywano do wizualizacji obrazów struktury domenowej.

Wykorzystanie magnetooptycznego efektu Faraday’a do modulacji światła

Badania wysokotemperaturowego fotomagnetyzmu (pomiary w T=300 K) w trybie quasi-statyki [14]

 

Polaryzacyjna zależność efektu fotomagnetyczego w YIG:Co [14]

  Przykład fotomagnetycznego „zapisu” z wykorzystaniem światła spolaryzowanego w temperaturze 160 K [16].

Literatura

  1. R.W.Teale and D.W.Temple, Phys.Rev.Lett., 19 (1967) 904.
  2. J.F.Dillon, E.Gyorgy and J.Remeika, Phys.Rev.Lett., 22 (1969) 643.
  3. P.F.Bongers and U.Enz, Phys.Rev.Lett., 21 (1968) 1643
  4. V.F.Kovalenko and E.L.Nagaev, Sov.Phys.Usp., 29 (1986) 297.
  5. K.Hisatake, Japan J.Appl.Phys., 13, 12 (1974) 2069.
  6. S.H.Yuan, M.Pardavi-Horvath, P.E.Wigen, J.Appl.Phys., 61 (1987) 3552.
  7. U.Enz and H. van der Heide, Sol.St.Com., 6 (1968) 347.
  8. D. Hu G.Dale, V.Balbarin, Y.Suzuki, Appl. Phys. Lett., 74, 20 (1999) 3026.
  9. H.Szymczak, M.Baran, S.L.Gnatchenko, R.Szymczak, Y.F.Chen, Z.G.Ivanov, L-G. Johansson, Europhys.Lett., 35, 6, 20 (1996) 451.
  10. G.L.Gutsev, B.V.Reddy, S.N.Khanna, B.K.Rao, P.Jena, Phys.Rev.B, 58, 21 (1998) 14131.
  11. V.L.Gurevich, R.Laiho and A.V.Lashkul, Phys.Rev.Lett., 69 (1992) 180.
  12. V.F.Kovalenko, S.N.Lyakhimets, Fiz.Tverd.Tela, 26 (1984) 3014.
  13. K.Hisatake, I.Matsubara, K.Maeda, H.Yasuoka, T.Mazaki, T.Miyazaki and S.Kainuma, Journal de Physique IV, 8 (1998) 367.
  14. A.B.Chizhik, I.Davidenko, A.Maziewski, A.Stupakiewicz, Phys.Rev. B, 57 (1998) 14366.
  15. A.Stupakiewicz, A.Maziewski, I.Davidenko, V.Zablotskii, Phys.Rev. B, 64 (2001) 644405.
  16. A.Stupakiewicz, „Badanie efektu fotomagnetycznego w cienkich warstwach”, PhD, Bialystok (2000).