Efecto magneto-óptico Kerr

Cambios en la luz reflejada desde una superficie magnetizada

En física, el efecto magnetoóptico Kerr ( MOKE ) o el efecto magnetoóptico Kerr de superficie ( SMOKE ) es uno de los efectos magnetoópticos . Describe los cambios en la luz reflejada desde una superficie magnetizada . Se utiliza en la investigación de la ciencia de los materiales en dispositivos como el microscopio Kerr, para investigar la estructura de magnetización de los materiales.

Varios granos de NdFeB con dominios magnéticos visibles mediante contraste con un microscopio Kerr.

Definición

El efecto magneto-óptico Kerr se manifiesta cuando la luz se refleja desde una superficie magnetizada y puede cambiar tanto la polarización como la intensidad reflejada . El efecto magneto-óptico Kerr es similar al efecto Faraday , que describe los cambios en la transmisión de la luz a través de un material magnético. Por el contrario, el efecto magneto-óptico Kerr describe los cambios en la luz reflejada desde una superficie magnética. Ambos efectos son resultado de los componentes fuera de la diagonal del tensor dieléctrico . Estos componentes fuera de la diagonal le dan al material magneto-óptico una permitividad anisotrópica , lo que significa que su permitividad es diferente en diferentes direcciones. La permitividad afecta la velocidad de la luz en un material: ${\displaystyle \varepsilon }$

${\displaystyle v_{p}={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon \mu }}}}$

donde es la velocidad de la luz a través del material, es la permitividad del material y es la permeabilidad magnética; por lo tanto, la velocidad de la luz varía según su orientación. Esto provoca fluctuaciones en la fase de la luz incidente polarizada. ${\displaystyle v_{p}}$ ${\displaystyle \varepsilon }$ ${\displaystyle \mu }$

Este efecto se cuantifica a menudo en términos de su ángulo Kerr y su elipticidad Kerr. El ángulo Kerr es el ángulo en el que la luz polarizada linealmente rotará después de incidir en la muestra. La elipticidad Kerr ( o elipticidad de las matemáticas) es la relación entre los semiejes mayor y menor de la luz polarizada elípticamente, generada a partir de la reflexión de la luz polarizada linealmente. ^[1] ${\displaystyle \theta _{k}}$ ${\displaystyle \epsilon _{k}}$ ${\displaystyle \eta _{k}}$

Geometrías

MOKE se puede clasificar además por la dirección del vector de magnetización con respecto a la superficie reflectante y el plano de incidencia.

MOKE polar

Cuando el vector de magnetización es perpendicular a la superficie de reflexión y paralelo al plano de incidencia, el efecto se denomina efecto Kerr polar . Para simplificar el análisis, y debido a que las otras dos configuraciones tienen una rotación de Kerr que se desvanece en la incidencia normal, se suele emplear la incidencia casi normal cuando se realizan experimentos en la geometría polar.

MOKE longitudinal

En el efecto longitudinal, el vector de magnetización es paralelo tanto a la superficie de reflexión como al plano de incidencia. La configuración longitudinal implica que la luz se refleja en un ángulo desde la superficie de reflexión y no es normal a ella, como se utiliza para MOKE polar. De la misma manera, la luz polarizada linealmente que incide sobre la superficie se polariza elípticamente, y el cambio de polarización es directamente proporcional al componente de magnetización que es paralelo a la superficie de reflexión y paralelo al plano de incidencia. Esta luz polarizada elípticamente de primer orden tiene dos vectores perpendiculares, a saber, el coeficiente de reflexión de amplitud de Fresnel estándar y el coeficiente de Kerr . El coeficiente de Kerr suele ser mucho menor que el coeficiente de reflexión. ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle k}$

MOKE transversal

Cuando la magnetización es perpendicular al plano de incidencia y paralela a la superficie se dice que está en configuración transversal . En este caso, la luz incidente tampoco es normal a la superficie de reflexión sino que en lugar de medir la polaridad de la luz después de la reflexión, se mide la reflectividad. Este cambio en la reflectividad es proporcional al componente de magnetización que es perpendicular al plano de incidencia y paralelo a la superficie, como se indicó anteriormente. Si el componente de magnetización apunta a la derecha del plano incidente, visto desde la fuente, entonces el vector de Kerr se suma al vector de amplitud de Fresnel y la intensidad de la luz reflejada es . Por otro lado, si el componente del componente de magnetización apunta a la izquierda del plano incidente visto desde la fuente, el vector de Kerr se resta de la amplitud de Fresnel y la intensidad reflejada viene dada por . ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle |r+k|^{2}}$ ${\displaystyle |r-k|^{2}}$

MOKE cuadrático

Además del efecto Kerr polar , longitudinal y transversal que dependen linealmente de los respectivos componentes de magnetización, también existen efectos cuadráticos de orden superior, ^[2] para los cuales el ángulo Kerr depende de términos de producto que involucran los componentes de magnetización polar , longitudinal y transversal . Esos efectos se conocen como efecto Voigt o efecto Kerr cuadrático. El efecto Kerr magneto-óptico cuadrático (QMOKE) se encuentra fuerte en aleaciones Heusler como Co2FeSi _y Co2MnGe _[ ^{3] [4]}

Aplicaciones

Experimento óptico para observar el efecto magneto-óptico Kerr

Microscopía

Un microscopio Kerr se basa en el MOKE para obtener imágenes de las diferencias en la magnetización de una superficie de material magnético. En un microscopio Kerr, la luz de iluminación pasa primero a través de un filtro polarizador , luego se refleja desde la muestra y pasa a través de un filtro polarizador analizador , antes de pasar por un microscopio óptico normal. Debido a que las diferentes geometrías del MOKE requieren una luz polarizada diferente, el polarizador debe tener la opción de cambiar la polarización de la luz incidente (circular, lineal y elíptica). Cuando la luz polarizada se refleja en el material de la muestra, puede producirse un cambio en cualquier combinación de los siguientes factores: rotación de Kerr, elipticidad de Kerr o amplitud polarizada. El analizador convierte los cambios de polarización en cambios en la intensidad de la luz, que son visibles. A menudo se utiliza un sistema informático para crear una imagen del campo magnético en la superficie a partir de estos cambios de polarización.

Medios magnéticos

Las unidades magneto-ópticas (MO) se introdujeron en 1985. Los discos MO se escriben utilizando un láser y un electroimán. El láser calentaría el plato por encima de su temperatura de Curie , momento en el que el electroimán orientaría ese bit como un 1 o un 0. Para leer, el láser se hace funcionar a una intensidad menor y emite luz polarizada. La luz reflejada se analiza y muestra una diferencia notable entre un 0 o un 1.

Descubrimiento

El efecto magneto-óptico Kerr fue descubierto en 1877 por John Kerr . ^{[5] [6]}

Véase también

• Efecto Faraday
• Ecuaciones de Fresnel
• John Kerr
• Óptica de película delgada
• Efecto Voigt
• Efecto Zeeman

Referencias

1. Shinagawa, K. (2000). "Efectos Faraday y Kerr en ferroimanes". Magneto-Óptica . Springer Series in Solid-State Sciences. Vol. 128. SpringerLink. págs. 137–177. doi :10.1007/978-3-662-04143-7_5. ISBN 978-3-642-08523-9.
2. García-Merino, JA; et al. (2018). "Magnetoconductividad y transmitancia óptica no lineal controlada magnéticamente en nanotubos de carbono multipared". Optics Express . 24 (17): 19552–19557. Bibcode :2016OExpr..2419552G. doi : 10.1364/OE.24.019552 . PMID  27557232.
3. Hamrle, J; et al. (2007). "Enorme efecto magneto-óptico Kerr cuadrático y reversión de la magnetización en el compuesto Co ₂ FeSi Heusler". J. Phys. D: Appl. Phys . 40 (6): 1563. arXiv : cond-mat/0609688 . Bibcode :2007JPhD...40.1563H. doi :10.1088/0022-3727/40/6/S09. S2CID  6079803.
4. Muduli, Pranaba; et al. (2009). "Estudio de la anisotropía magnética y la inversión de la magnetización utilizando el efecto magnetoóptico cuadrático en películas epitaxiales de Co _x Mn _y Ge _z (111)". J. Phys.: Condens. Matter . 21 (29): 296005. Bibcode :2009JPCM...21C6005M. doi :10.1088/0953-8984/21/29/296005. PMID  21828544. S2CID  3552070.
5. Kerr, John (1877). "Sobre la rotación del plano de polarización por reflexión desde el polo de un imán". Philosophical Magazine . 3 : 321. doi :10.1080/14786447708639245.
6. Weinberger, P. (2008). "John Kerr y sus efectos encontrados en 1877 y 1878" (PDF) . Philosophical Magazine Letters . 88 (12): 897–907. Bibcode :2008PMagL..88..897W. doi :10.1080/09500830802526604. S2CID  119771088. Archivado desde el original (PDF) el 2011-07-18.

Lectura adicional

• Zvezdin AK; Kotov VA (1997). Magnetoóptica moderna y materiales magnetoópticos . Instituto de Publicaciones de Física. p. 404. ISBN 978-0-7503-0362-0.
• Etienne Du Trémolet de Lacheisserie; D. Gignoux; Michel Schlenker, eds. (2005). Fundamentos del magnetismo I. Springer Science & Business Media. pag. 507.ISBN​ 978-0-387-22967-6.

Enlaces externos

• Subprograma de cálculo de Kerr: subprograma de Java que calcula el ángulo de Kerr de películas delgadas multicapa
• yeh-moke – Un software libre calcula el efecto magneto-óptico Kerr de películas delgadas multicapa
• Microscopio MOKE: microscopio magnetoóptico de efecto Kerr [PDF: 3,2 MB]
• Tutorial MOKE: un tutorial paso a paso sobre el efecto magnetoóptico Kerr longitudinal, polar y transversal.
• Espectroscopia magneto-óptica Kerr de banda ancha