磁光克尔效应Magneto-optical Kerr effect

    磁光克尔效应作为表面磁学的重要实验手段，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜间的相变行为等问题的研究。磁光克尔法是测量材料特性特别是薄膜材料物性的一种有效方法。本文较详细的介绍了磁光克尔效应的原理，测量方法以及磁光克尔法的实验装置，也介绍了实验装置中的仪器的特点。最后较为详细的介绍了磁光克尔法测量NiMn多层薄膜的磁滞回线的实验结果可以看出NiMn多层薄膜有明显的磁滞行为，反应了NiMn多层薄膜的铁磁特性。

简介

    在1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转的效应，随后他在外加磁场之金属 表面上做光反射的实验，但由于他所谓的表面并不够平整，因而实验结果不 能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振化光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和 Bader两位学者进行铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功地得到一原子层厚度磁性物质之磁滞回线，并且提出了以SMOKE(surface magneto-optic Kerr effect的缩写)来作为表面磁光克尔效应，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法致磁性解析灵敏度达一原子层厚度，且仪器配置合于超高真空系统之工作，因而成为表面磁学的重要研究方法。 表面磁光克尔效应实验系统是表面磁性研究中的一种重要手段，它在磁性超薄膜的磁有序、磁各向异性、层间耦合和磁性超薄膜的相变行为等方面的研究中都有重要应用。应用该系统可以自动扫描磁性样品的磁滞回线，从而获 得薄膜样品矫顽力、磁各异性等方面的信息。

    表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect，缩写为SMOKE)作为表面磁学的重要实验手段，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜间的相变行为等问题的研究.自1985年代以来相继出现了多种SMOKE实验方案.由于SMOKE要求能够达到单原子层磁性检测的灵敏度，因此对于光源和检测手段提出了很高的要求.目前国际上比较常见的是用输出功率很稳定的偏振激光器.如Bader等人采用的高稳定度偏振激光器，其稳定度小于0.1。也有用Wollaston棱镜分光的方法，降低对激光功率稳定度的要求.Chappert等人的方案是将从样品出射的光经过Wollaston棱镜分为I和P偏振光，再经过测量它们的比值来消除光强不稳定造成的影响.但这种方法的背景信号非常大，对探测器以及后级放大器的要求很高.也有人采用普通的氦氖激光器在起偏器后加分光镜，将信号分为信号光束和参考光束，通过测量二者的比值来消除由于激光器光强和偏振面不稳定造成的影响.本文给出的SMOKE新型测量系统，采用更为普通的半导体激光器作光源，用常见硅光电池进行克尔信号的采集，同样成功地得到了磁滞回线，且整个系统有较高的检测灵敏度。因此，它是一种普适方案，在一些科研机构和大学近代物理实验室使用后，均取得了良好的实验效果。

    磁光信息存储是近年发展起来的新技术，是对传统信息存储技术的革新。开发更多、性能更加优越，而且实用的磁光介质材料是当前信息存储领域的一项重要的任务。测量磁光介质的克尔转角则是研究这些材料的基本手段和方法。对于非开发人员来讲，测量磁光克尔转角的实验一方面能够提高进行物理综合实验的能力，另一方面对信息存储的新技术将有更加深刻的理解，能启发他们利用物理原理在信息存储技术等领域提出新的设想，做出新的贡献。

光学中的磁光克尔效应

    当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，部分光线将发生透射，透射光线的偏振面与入射光的偏振面相比有一转角，这个转角被叫做磁光法拉第转角(θF).而反射光线的偏振面与入射光的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角(θk)，这种效应叫做磁光克尔效应.磁光克尔效应包括三种情况:(1)纵向克尔效应，即磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面时的克尔效应;(2)极向克尔效应，即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔效应;(3)横向克尔效应，即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔效应。.
 

    对于已经写入了信息的磁光介质，要读出所写的信息则需要利用磁光克尔效应来进行.具体方法是:将一束单色偏振光聚焦后照射在介质表面上的某点，通过检测该点处磁畴的磁化方向来辨别信息的"0"或"1"。例如，被照射的点为正向磁化，则在该点的反射光磁光克尔转角应为+θk，相反被照射的点为反向磁化，则在该点的反射光磁光克尔转角应为-θk。因此，如果偏振分析器的轴向恰好调整为与垂直于记录介质的平面成θk夹角，那么在介质上反向磁化点的反射光线将不能通过偏振分析器，而在介质的正向磁化处，反射光则可以通过偏振分析器。这表明反射光的偏振面旋转了2θk的角度.这样，如果我们在经过磁光介质表面反射的光线后方，在通过偏振分析器后的光路上安放一光电检测装置(例如光电倍增管)，就可以很方便地辨认出反射点是正向磁化还是反向磁化，也就是完成了"0"和"1"的辨认.可见，磁光克尔转角在磁光信息读出时扮演着十分重要的角色.如果把磁光介质附着在可旋转的圆盘表面，就构成了磁光盘.磁光盘旋转时，如果同时有单色偏振光聚焦在磁光盘表面，就可实现光线的逐点扫描，即信息被连续读出。

磁光克尔转角的测量方法

磁光克尔转角的测量装置

    在实际测量时，通常采用He-Ne激光作为光源，波长λ=632.8 nin.磁光介质样品安放在电磁铁建立的磁场之中，磁场的磁感应强度为4 000 Gs左右.在此条件下，通过偏振分析器可顺利地分析出磁光克尔转角θk的大小，如果测量时光信号十分微弱，采用锁相放大器可大大提高测量的精确度。

磁光介质材料极其θk的大小

    随着磁光信息存储技术的发展，目前已经开发出多种磁光介质材料.在这些材料中比较优秀的有:非晶态稀土一过渡金属合金材料(例如Fe-co)、非晶态锰铋铝硅(MnBiA1Si)合金材料和非晶态锰铋稀土(MnBiRE)合金材料等。这些材料通常是采用真空蒸镀、磁控溅射等方法将合金材料沉积于玻璃基底上，磁光薄膜的厚度一般在几百纳米左右。为了提高材料的磁光性能，采取多层膜技术十分有效.磁光克尔转角一般并不大，以铽铁钴(1bFeco)合金薄膜材料为例，在室温下其磁光克尔转角仅为0.3L右。MnBiA1Si的磁光克尔转角可达2.04。如果仅考虑磁光克尔转角的大小，采用简单工艺制备的MnBi合金薄膜的磁光克尔转角达到1.6。左右并不困难.当然，在实际制造磁光盘时，除了考虑磁光克尔转角这一性能外，还需要综合考虑其他性能.目前市场上做成磁光盘产品的磁光介质以铽铁钴(1bFeco)合金薄膜材料为主。

               表 常见磁性物质在室温下的磁光克尔转角