磁光克爾效應原理、應用及研究實驗

原理：克爾磁光效應分極向、縱向和橫向三種，分別對應物質的磁化強度與反射表面垂直、與表面和入射面平行、與表面平行而與入射面垂直三種情形。極向和縱向克爾磁光效應的磁致旋光都正比于磁化強度，一般極向的效應*強，縱向次之，橫向則無明顯的磁致旋光。

應用：克爾磁光效應的*重要應用是觀察鐵磁體的磁疇（見磁介質、鐵磁性）。不同的磁疇有不同的自發(fā)磁化方向，引起反射光振動面的不同旋轉，通過偏振片觀察反射光時，將觀察到與各磁疇對應的明暗不同的區(qū)域。用此方法還可對磁疇變化作動態(tài)觀察。

研究實驗

實驗目的

       利用磁光克爾效應測量磁性薄膜的磁信號和磁滯回線，確定磁性薄膜的磁各向異性隨薄膜厚度的影響。

研究鐵磁（FM)/反鐵磁（AFM)雙層膜的交換偏置（Exchange bias）現(xiàn)象。 

1 表面磁光克爾效應（surface magneto-optic Kerr effect,SMOKE)

        當線偏振光入射到不透明樣品表面時,如果樣品是各向異性的,反射光將變成橢圓偏振光且偏振方向會發(fā)生偏轉.而如果此時樣品為鐵磁狀態(tài),還會導致反射光偏振面相對于入射光的偏振面額外再轉過一小角度,這個小角度稱為克爾旋轉角θK,即橢圓長軸和參考軸間的夾角. 同時,一般而言, 由于樣品對p偏振光和s偏振光的吸收率不同,即使樣品處于非磁狀態(tài),反射光的橢偏率也要發(fā)生變化,而鐵磁性會導致橢偏率有一附加的變化,這個變化稱為克爾橢偏率εK ,即橢圓長短軸之比.

按照磁場相對入射面的配置狀態(tài)不同, 表面磁光克爾效應可以分為3種：

a. 極向克爾效應,其磁化方向垂直于樣品表面并且平行于入射面;

b. 縱向克爾效應, 其磁化方向在樣品膜面內,并且平行于入射面; 

c. 橫向克爾效應,其磁化方向在樣品膜面內,并且垂直于入射面.

2 交換偏置（Exchange Bias）

       鐵磁(FM) / 反鐵磁(AFM) 體系(如雙層膜) 在外磁場中從高于反鐵磁奈爾溫度冷卻到低溫后,鐵磁層的磁滯回線將沿磁場方向偏離原點,其偏離量被稱為交換偏置場,通常記作HE,同時伴隨著矯頑力的增加,這一現(xiàn)象被稱之為交換偏置。

        磁光克爾效應裝置是一種基于磁光效應原理設計的超高靈敏度磁強計，是研究磁性薄膜、磁性微結構的理想測量工具。旋轉磁光克爾效應（RotMOKE）是在磁光克爾效應測量基礎上的一種類似于轉矩測量各向異性的實驗方法，可以定量的得到樣品的磁各向異性的值。但由于電磁鐵磁場大小的限制，只適合于測量磁各向異性的易軸在膜面內而且矯頑場不太大的磁性薄膜材料。結合源表可以進行樣品的磁輸運性能測量。RotMOKE具有以下特點：測量精度高、測量時間短；非接觸式測量，是一種無損測量；測量范圍為一個點，可以測量同一樣品不同部位的磁化情況；可以產(chǎn)生平滑、穩(wěn)定的受控磁場，并且磁場平滑過零。

應用領域：

磁光克爾效應測量系統(tǒng)廣泛應用于諸如磁性納米技術、自旋電子學、磁性薄膜、磁性隨機存儲器、GMR/TMR等磁學領域。

可測試材料：記錄磁頭，磁性薄膜，特殊磁介質，磁場傳感器