Aktuální číslo:

Světlo a magnetické pole

Zdroje magnetického pole pro magnetooptiku

Jaroslav Vlček, Michal Lesňák, Jaromír Pištora

| 9. 10. 2008

| Vesmír 87, 712, 2008/10

Možná jste se někdy zamysleli nad kompaktním diskem, na němž máte hudbu, fotoalbum nebo film, a vrtalo vám hlavou, jak se toto množství informací ukládá, uchová a v potřebné chvíli reprodukuje na vhodném přehrávacím zařízení. Odpověď nabízí fyzikální obor magnetooptika. Výsledkům získaným na tomto poli však vděčíme za mnohem více.

Co je magnetooptika?

Ve feromagnetických látkách (železe, kobaltu, niklu ad.) lze vnějším magnetickým polem uměle vyvolat optickou anizotropii. ¹⁾ To znamená, že tímto způsobem lze ovlivnit například polarizační stav optické vlny. Jde-li o odraz, hovoříme o Kerrově jevu, při průchodu mluvíme o jevu Faradayově.

Když kmitá intenzita elektrického pole světelného svazku pouze v jedné rovině, označujeme ho jako lineárně polarizovaný. Jestliže na něj postupně působí dvě navzájem opačně orientovaná vnější magnetická pole, vznikají v jednoduchém případě dva různé nové polarizační stavy. To lze využít například v magnetooptických záznamových zařízeních (viz rámeček „Magnetooptický disk“ 1 ).

Na podobném principu, avšak při řízené rotaci osvětlované oblasti, pracují nejnovější typy magnetooptických mikroskopů. Kom binace různé intenzity vnějšího magnetického pole a polohy zkoumaného vzorku vzhledem k rovině polarizace umožňuje docílit výrazných efektů v kontrastu, jemnosti rozlišení i rychlosti provedení experimentu.

Rotace polarizační roviny se například u Kerrova jevu měří v pouhých desetinách stupně. To však postačuje pro konstrukci velmi přesných diagnostických zařízení na výše popsaném principu. Zpravidla se využívají speciální směry orientace vnějšího magnetického pole, a to podle postavení roviny dopadu optického svazku. Nazýváme je magnetooptické konfigurace a každá z nich (obrázek 1) přináší jiné charakteristické magnetooptické parametry zkoumaného vzorku.

Magnetooptický výzkum

Samozřejmostí laboratorního vybavení pro magnetooptická měření jsou kvalitní laserové zdroje, komponenty pro optické sestavy (polarizátory, analyzátory) a detekční přístroje (například pro reflektometrické nebo elipsometrické úlohy). Neobejdeme se však bez generátoru homogenního magnetického pole.

Prvně jmenovaná zařízení se komerčně distribuují v poměrně široké nabídce a jejich dostupnost je limitována pouze cenou, zdroje vnějšího magnetického pole pro uvedené aplikace se však běžně nevyrábějí. Zpravidla jde o specifické konstrukce vycházející z potřeb měření. K nezbytným podmínkám patří experimentální uspořádání (např. zda sledujeme odražené či procházející světlo), velikost maximální hodnoty magnetické indukce mezi pólovými nástavci (běžně 0,2–0,3 tesla), a zejména homogenita magnetického pole v sledované oblasti; významnou roli hraje i konkrétní zaměření výzkumu. ²⁾

Pro přípravu článku byly použity některé výsledky získané za podpory MŠMT ČR v rámci řešení výzkumného záměru MSM 619890016 a GA ČR v návaznosti na projekt 202/06/0531.

Poznámky

1) Feromagnetické látky se vyznačují přítomností magnetických domén, takže vlastnosti těchto látek jsou závislé na intenzitě vnějšího magnetického pole. Optická izotropie je stav, kdy se světlo šíří v látce ve všech směrech stejnou rychlostí. Pokud tomu tak není, mluvíme o optické anizotropii (ta je předpokladem pro vznik dvojlomu).

2) Vývoj a realizace těchto zařízení je jedním z důležitých směrů výzkumu na Institutu fyziky Vysoké školy báňské – Technické univerzity v Ostravě, který patří mezi nemnohá tuzemská vědecká pracoviště, na nichž se delší dobu věnuje pozornost aktuálním trendům v magnetooptice.

3) M. Lesňák, Zdroje homogenního magnetického pole pro magnetooptická měření, Jemná Mechanika a Optika, 3/2002, s. 79–80.

Magnetooptický disk

Zápis. Paměťové médium zvané magnetooptický disk obsahuje tenkou vrstvu zmagnetovaného materiálu, který při zahřátí na Curieovu teplotu (teplotu, nad níž se feromagnetické látky chovají jako paramagnetické; řádově jde o stovky stupňů Celsia) výrazně reaguje na malé změny magnetického pole. Při zápisu laserem se prudce zahřeje datová oblast například pro logické nuly a při jedné polaritě vnějšího magnetického pole se informace zaznamená. Pak se polarita magnetické hlavy změní na opačnou a stejným způsobem se uloží logické jedničky (byl „vypálen“ disk). Zahřáté oblasti vychládají téměř okamžitě a magnetické domény feromagnetika v sobě binárně kódovanou informaci podrží.

Čtení. Když dopadá lineárně polarizovaný světelný paprsek laserového zdroje o nízkém výkonu na záznamovou oblast, stáčejí se jeho roviny polarizace podle magnetické orientace zmagnetizovaných domén (uplatní se Kerrův jev). Vhodné polarizační filtry pak dekódují posloupnost jedniček a nul.

Zdroje magnetického pole

Výsledkem vývoje a konstrukční realizace jsou tři typy magnetických zdrojů (generátorů) pro magnetooptická měření – Maltézský kříž, Oring a Kvadrant – které jsou určeny především pro transverzální a longitudinální experimentální konfigurace (obrázek 1).

První z vyrobených prototypů je čtyřnástavcový zdroj Maltézský kříž (obrázek 2). Využívá se nejen u tenkých vrstev s indukovanou optickou anizotropií, ale také u jednorozměrných a dvourozměrných periodických struktur. Kromě pracovišť v České republice se uplatnil také při laboratorních experimentech ve Francii (INSA Toulouse) a Kanadě (SFU Vancouver).

Pokud experimentální praxe při studiu anizotropie v rovině vzorku vyžaduje přesnější určení směrů vnějšího magnetického pole, je řešením konstrukční model kruhového vnějšího magnetického obvodu zvaný O-ring (obrázek 3). Pro jeho optimalizaci byl použit model v softwarovém prostředí ANSYS. Detailnější pohled na tuto fázi řešení včetně ukázek některých výstupů poskytuje například článek M. Lesňáka ³⁾ .

Třetí typ zdroje magnetického pole – Kvadrant – byl připraven pro laboratoře americké Arkansaské univerzity. Jeho konstrukci určoval požadavek, aby se dal nezávisle nastavit magnetický tok ve dvou kolmých směrech, a potřeba natáčet směr magnetizace v rovině vzorku (obrázek 4). Zařízení si také „muselo rozumět“ s kryostatem. Proto měla každá cívka vinutí o celkovém počtu 1500 závitů měděného drátu o průměru 2 mm, aby při dlouhodobém buzení proudem 10 A nebylo nutno použít dodatečných chladicích zařízení. Teoretické výpočty homogenity výsledného magnetického pole byly potvrzeny měřením magnetické indukce mezi pólovými nástavci pro různé hodnoty budicích proudů.

Zatím se v experimentální praxi nejlépe uplatnil Maltézský kříž. Připravujeme zařízení s vyšší úrovní magnetické indukce v měřicí oblasti (0,5 tesla) a analyzujeme magnetické zdroje pro studium polárních jevů.