Flygfoton av
magnetiska landskap
...eller ”Flygfoton” av
”magnetiska landskap”
Magnetiska material består av domäner
med olika utseende beroende på
materialets egenskaper.
Magnetooptisk mikroskopi med synligt ljus
ger översiktsbilder av ”landskapets” yta och
dess grövre struktur.
Avbildning av magnetiska
domäner med synligt ljus
• Vad är magnetiska domäner?
• Magnetooptiska effekter: vad händer
med ljus i magnetiska media?
• Magnetooptisk avbildning av domäner
• Andra tillämpningar - exempel
Vad är magnetiska domäner?
Domäner minimerar
totala energin
stort ströfält
hög energi
inget ströfält
lägre energi
N
N
S
S
S
N
Energier i en ferromagnet
utbytesenergi
anisotropi (uniaxiell)
externt fält
ströfält
”Riktiga” domäner kräver anisotropi
Isotropt och ”lättsvängt”
(”mjukt”) material:
magnetiska moment i
slutna slingor om
geometrin så tillåter
Anisotropt material: vissa
”lätta” riktningar föredras
→ domäner och väggar
Bilder: R. Schäfer
Domänernas inbördes riktningar avgör om
makroskopiska magnetiseringen M=0.
m1
m1
m4
m3
m2
M=m1+m2+m3+m4=0
m4
m2
m3
M=m1+m2+m3+m4=Ms
Domänerna påverkas av yttre
magnetfält
Mönstret ändras
genom 1) tillväxt av
domäner med ”rätt”
riktning och 2) rotation
av magnetiseringen.
Bilder: R. Schäfer
(240 nm permalloy – Fe20Ni80)
Domänernas betydelse
Fyra exempel på tillämpningar som
påverkas i olika hög utsträckning av
domänstrukturen
Domänernas betydelse i olika
tillämpningar
Permanentmagneter:
domänernas bidrag till
totala energin är av
underordnad
betydelse
NN N
S S S
Informationslagring: data
sparas i domäner
domäner!
(Bild: Eriksson, Andersson, Karis, Svedlindh, Kosmos 2001, s 77-114)
Ytterligare exempel på
ytterligheter
Transformatorstål: lättflyttade
domänväggar ger önskvärt hög
permeabilitet och låga förluster.
Små minneselement och sensorer:
domäner undviks eller låses för att ge
stabilitet och minska bruset.
Utseendet påverkas av
strukturen
Bilder: R. Schäfer
Magnetooptiska effekter
Magnetfältet i vissa material påverkar det
elektriska fältet hos planpolariserat synligt
ljus – jämför Lorentzkraft mellan laddning
och magnetfält.
De vanligaste magnetooptiska
effekterna
Magnetooptisk Kerreffekt (MOKE):
polarisationen vrids vid reflektion från
ogenomskinliga magnetiska material
(John Kerr, 1877)
Faradayeffekt: polarisationen vrids vid
transmission i genomskinliga magnetiska
material (Michael Faraday, 1845)
Kerr- och Faradayeffekterna
E: ljusets elektriska fältvektor (”före”)
D: dielektriska förflyttningsvektorn (”efter”)
ε: dielektricitetstensorn
Q: komplex materialkonstant, ~Ms
Geometrier: kombinationer av
E- och M-riktningar
Polär
Longitudinell
Transversell
Kombinera dessa för att se alla M-komponenter!
Infallsvinkeln har avgörande betydelse.
Bilder efter R. Schäfer
Kerreffekten (MOKE)
Kerreffekten observeras främst som en
rotation av E hos planpolariserat ljus.
Mätdjupet i reflekterande material
(metaller) är upp till 20 nm.
20 nm
Avbildningsteknik - mikroskopi
Mikroskop för reflekterande
prover: vertikalbelysning
Bild: MIL-HDBK-141Optical Design, från www.azmackes.net/astronomy/mil_hdbk_141/
Polarisationsmikroskop
(exempel)
CCD-kamera
flyttbar
bländare
analysator
kompensator
(λ/4-platta)
ljus
stråldelare
550 nm
filter
polarisator
50x
0.75
objektiv
0.3 mm
prov
Kerrmikroskop:
lägg till magnetfält
Polär geometri:
bländare centrerad,
vinkelrätt infall
ljus
50x
0.75
Hext
Kerrmikroskop:
lägg till magnetfält
Longitudinell: bländare
förskjuten, snett infall
ljus
50x
0.75
Hext
Longitudinell avbildning:
snett infall
ljuskälla
förskjuten 0,3 mm
bländare väljer ljus
från ena sidan
objektivet
infallsvinkel
30-45°
longitudinellt Hext
Transversell avbildning:
snett infall
ljuskälla
förskjuten 0,3 mm
bländare väljer ljus
från ena sidan
objektivet
transversellt Hext
infallsvinkel
30-45°
Longitudinell MOKE
polarisator
opolariserat
ljus
planpolariserat ljus
polarisator
Bild efter R. Schäfer
analysator
Kombinera geometrier för mer
fullständig bild av strukturen
Exempel: (100)-orienterad FeSi-plåt
transversell
longitudinell
Kontrasten beror på vinkeln mellan E och m
Bilder: R. Schäfer
Att separera olika bidrag
NdFeB
z
y
x
bara mz
Bilder: R. Schäfer
bara mx och my
Dynamikstudier
Variera yttre fält och samordna med bildupptagningen
Enkelt exempel:
100 nm tjockt
järnskikt i ett yttre
magnetfält av
varierande styrka
(80×100µm yta)
Andra tillämpningar 1:
hysteresmätningar
Samband mellan magnetisering och externt fält
Andra tillämpningar 2:
magnetooptisk datalagring
Dataavläsning
använder Kerreffekten
med polariserad laser.
Motsatta
magnetiseringsriktningar ger rotation
åt olika håll → binär
information.
Bilder: http://en.wikipedia.org/wiki/Magneto-optical_drive
Sammanfattning
Domäner: uppdelning av ett magnetiskt
material för minimal totalenergi.
Magnetooptisk Kerreffekt: polarisationen
hos reflekterat ljus vrids i proportion till
materialets magnetisering.
Kerr-mikroskopi: avbildar domäner 0-20
nm från ytan; upplösning max 300 nm.
LÄSA MER: A. Hubert & R. Schäfer: ”Magnetic Domains”
M.S. Mansuripur: ”The Physical Principles of Magneto-Optical Recording”
