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开放分类： 化学、物理

磁光效应

英文名称：Magneto-optical effect

磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。

法拉第效应 1845年由M.法拉第发现。当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。

科顿-穆顿效应 1907年A.科顿和H.穆顿首先在液体中发现。光在透明介质中传播时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体（见双折射）的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方。此效应也称磁致双折射。W.佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多。当介质对两种互相垂直的振动有不同吸收系数时，就表现出二向色性的性质，称为磁二向色性效应。

克尔磁光效应 入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，1876年由J.克尔发现。克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴（见磁介质、铁磁性）。不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。

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。

磁性离子掺入到半导体中替代部分阳离子的位 置形成稀磁半导体，通过局域自旋磁矩和载流子之间 存在强烈的自旋-自旋交换作用，在外加电场或者磁 场的影响下，会使载流子的行为发生改变，从而产生 异于半导体基质的特性。自旋-自旋交换相互作用是 DMS 材料区别于非磁半导体材料的关键，也是形成 各种磁极化子的主要原因。在 DMS 中，交换作用包 括类 s 导带电子和类 p 价带电子同磁性离子的 d 电子 间的交换作用(sp-d 交换作用)和磁性离子的 d 电子间 的交换作用(d-d 交换作用)。

Soalek 等人分析了许多试验结果后发现在 Mn 基 DMS 中，决定交换积分大小的主要是最近邻 Mn2+离 子的距离。实验表明，在 DMS 中磁性离子问的交换

作用是在畸变了的晶格中以阴离子为媒介的超交换作用。 负磁阻效应:

磁性离子掺杂到半导体结构中形成 DMS 后，载 流子自旋和磁性离子自旋之间存在交换耦合作用，磁 性离子自旋可以产生铁磁性极化作用将载流子俘获 在铁磁自旋簇中，形成磁束缚态极子。随着外加磁场 的增加，内部的束缚态磁极化子(BMP)越来越多的被 破坏掉，使更多的载流子被释放出来参与导电。因此， 稀磁半导体样品在低温下呈现负的磁阻效应。 H. Ohno研究了Ga1-xMnxAs的稀磁半导体材料， 随Mn参杂浓度变化，样品呈现金属性及绝缘性能。 实验发现，金属性样品的负磁阻性会随着温度T的降 低而增强，当温度上升到Tc时有最大值出现；绝缘性 样品则是随着温度低于Tc后，仍然有所增强，并且在 低温条件下，磁场对于磁阻的影响会更加显著。 反常霍尔效应 增强磁光效应

磁光效应的增强是 DMS 材料的又一特性，光偏振面的角度变化（法拉第角）可以反映材料内部 d 电 子与 p 及 s 电子之间相互作用的相对强弱。