Новые механизмы магнитооптических эффектов в магнетиках

 © А.В.Телегин

Воспринимаемая нами визуальная картина окружающего мира определяется тремя основными параметрами – это интенсивность, поляризация и цвет излучения. Пионерские работы о природе света провели И.Ньютон, Х.Гюйгенс и др. еще в 17 - начале 18 вв. Свет может быть видимым (оптический диапазон с длиной волны 380-680 нм) и невидимым (инфракрасная, длина волны больше 700 нм, и ультрафиолетовая, длина волны менее 300 нм, области спектра). Свой вклад в теорию цветов в 19 веке внес и основоположник современной теории электромагнитной природы света Д.Максвелл. Различаемый глазом цвет окружающего пространства связан с длиной волны отраженного и прошедшего через среду электромагнитного излучения и определяется строением и составом вещества.

В природе свет является деполяризованным или частично-поляризованным. Учеными М.Фарадеем и Д.Керром было показано, что поляризацией и интенсивностью света можно управлять, приложив магнитное или электрическое поле к объекту, с которым свет взаимодействует. Дальнейшие исследования показали, что различные магнито- и электрооптические эффекты на основе изменения поляризации излучения достигают максимальных значений в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Именно в этой спектральной области работают большинство современных оптических устройств: лазеры, управляемые модуляторы и фильтры излучения, сканеры и т.д. Недостатком этих устройств является ограниченный спектральный интервал, связанный с особенностями электронной структуры материала, а также потребность в оптических поляризационных элементах. Это усложняет конструкцию устройств и сужает их область применения.

Ученые из Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН показали, что в ряде случаев гигантские магнитооптические эффекты в магнитных полупроводниках могут быть получены и в естественном (неполяризованном) свете. Эффекты, связаные с изменением под действием магнитного поля поглощения света, наблюдались в оксидах и халькогенидов европия, ферромагнитных шпинелях и манганитах со структурой перовскита. Основные физические механизмы, ответственные за магнитопоглощение света, обусловлены чувствительностью электронной структуры, носителей заряда и примесей к внешнему магнитному полю в области магнитного фазового перехода и связанным с ним переходом металл-изолятор в этих материалах.

Важным фактом является то, что обнаруженные эффекты магнитоотражения и магнитопоглощения света максимальны в средней инфракрасной области спектра (1-20 мкм), в которой все традиционные поляризационные эффекты малы. Модуляция интенсивности неполяризованного излучения в этих материалах может достигать десятков процентов, что превышает аналогичные показатели для эффектов в поляризованном свете. При этом частота модуляции излучения может достигать недостижимых пока для современной электроники 10¹² Гц. Это делает данные эффекты и материалы хорошими кандидатами для создания новых модуляторов и детекторов в ИК-области спектра, столь необходимой для различных геофизических и военных применений. Однако материалы на основе шпинелей и манганитов имеют узкий рабочий температурный интервал и требуют сложных технологий синтеза.

Эту проблему решила группа ученных из ИФМ УрО РАН, обнаружив новый магнитооптический эффект, не связанный с магнитным фазовым переходом как в манганитах и халькогенидах, в таком известном в СВЧ-электронике и магнитооптике материале как ферримагнитный феррит CoFe₂O_4. Данный материал обладает высокой прозрачностью в ИК-диапазоне спектра и высокой температурой магнитного фазового перехода (порядка 550 градусов Цельсия). Также CoFe₂O₄ известен максимальной среди полупроводниковых материалов магнитострикцией – изменением линейных размеров под действием магнитного поля - и является основным материалом нового направления спинтроники - стрейнтроники. Стрейнтроника – изучает изменение физических свойств материалов за счет механических деформаций, возникающих под действием магнитных и/или электрических полей. При этом возникает возможность создания колоссальных магнитных и электрических полей для управления магнитным состоянием (записи бита информации) материала на наномасштабе при комнатной температуре. Однако важной проблемой является необходимость создания контактных интерфейсов для получения отклика на изменение магнитного или электрического состояние системы.

Задачу получения бесконтактного отклика от магнитострикционной структуры решили российские ученые во главе с Ю.П. Сухоруковым. За основу исследований была взята теоретическая работа советских ученых 30-ти летней давности о влиянии магнитоупругих свойств на поглощение света магнетиком. В группе Ю.П. Сухорукова  впервые экспериментально было показано, что магнитное поле приводит к изменению спектров отражения и поглощения неполяризованного ИК-излучения и появлению гигантских  эффектов магнитоотражения и магнитопоглощения за счет гигантской магнитострикции феррита CoFe₂O₄. Новый механизм магнитооптических эффектов был связан с влиянием созданных внешним магнитным полем упругих деформаций на коэффициент поглощения материала и назван деформационной магнитооптикой (или по аналогии со стрейнтроникой - стрейн-магнитооптикой).

До настоящего времени все исследования учёными проводились на монокристаллах. Следующим этапом должны стать пленки и планарные пленочные структуры, комбинирующие магнитоупругие и магнитооптические свойства CoFe₂O₄ и других оксидов. Ученые предполагают, что такие структуры могут стать основой новых оптических материалов, работающих на иных физических принципах, чем, например,  разрабатываемые сегодня перспективные образцы магнитооптической памяти и модуляторов света на основе эффекта сверхбыстрого перемагничивания железоиттриевого граната сверхкороткими импульсами лазера.

Детальную информацию по данной теме можно получить в журналах ФММ Т.119(12) 1229-1235 (2018), ФММ Т.119(13) 1280-1283 (2018), а также Оптика и спектроскопия Т.116 (6) 73-79 (2014).

Краткая формула