(57)【要約】【課題】強磁性体の異方性磁場等の磁気光学特性を精度よく、安価で簡便に測定する磁気光学特性測定装置及び磁気光学特性の測定方法を提供する。【解決手段】磁気光学特性測定装置１は、レーザ光源２が試料Ｆの磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し試料に照射するモードロックレーザであり、外部磁場印加手段４が試料に所定の外部磁場を電磁石により印加させ、偏光検出器５は光パルス列が試料で反射した反射光を検出して、偏光成分を磁気光学信号として出力し、制御装置６が外部磁場印加手段を制御して試料の磁化の光励起歳差運動が光パルス列の周期に同期したときの外部磁場と磁気光学信号とを共鳴条件として取得し、共鳴条件での光パルス列の周期と外部磁場の強度と磁気光学信号とを用いてＬＬＧ方程式に基づき試料の磁気光学特性である有効内部磁場又は異方性磁場とダンピングファクタとを算出する。【選択図】図１
2011039008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体の試料の磁化の光励起歳差運動の周期と、レーザ光源から当該試料に照射される高繰り返しパルスレーザ光の周期とを同期させ、前記試料の磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置であって、
レーザ光を発生して前記試料に照射する前記レーザ光源と、前記試料に外部磁場を印加する外部磁場印加手段と、前記試料からの検出光の偏光成分を検出して磁気光学信号として出力する偏光成分検出手段と、前記磁気光学特性を算出する制御装置とを備え、
前記レーザ光源は、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射するモードロックレーザであり、
前記外部磁場印加手段は、前記試料に隣接して設けられ前記試料に所定の外部磁場を電磁石により印加させ、
前記偏光成分検出手段は、照射された前記光パルス列が前記試料で反射した反射光、又は、前記光パルス列が前記試料を透過した透過光を検出して、その偏光成分を磁気光学信号として出力し、
前記制御装置は、前記外部磁場印加手段を制御して、前記試料の磁化の光励起歳差運動が前記光パルス列の周期に同期したときの外部磁場と前記磁気光学信号とを共鳴条件として取得し、この共鳴条件での前記光パルス列の周期と前記外部磁場の強度と前記磁気光学信号とを用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性である有効内部磁場又は異方性磁場とダンピングファクタとを算出する
ことを特徴とする磁気光学特性測定装置。
【請求項２】
前記偏光成分検出手段は、光量検出手段と、光弾性変調器と、ロックインアンプとを備え、
前記光量検出手段は、前記照射された光パルス列が前記試料で反射した反射光、又は、前記光パルス列が前記試料を透過した透過光の強度を検出し、
前記光弾性変調器は、前記レーザ光源から前記試料に照射される前記光パルス列の光路の途中に配置され、前記光パルス列を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光とに切り替えて出力し、
前記ロックインアンプは、前記光弾性変調器で前記光パルス列を変調した周波数信号を参照信号として、前記光量検出手段が検出する光強度信号から偏光成分を測定した結果を前記磁気光学信号として、ロックイン検出し前記制御装置に出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気光学特性測定装置。
【請求項３】
前記外部磁場印加手段は、
前記試料の両側面側に配設された電磁石から前記試料表面に平行な面内磁場を発生させ、前記試料表面に面内磁場を印加させる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気光学特性測定装置。
【請求項４】
前記外部磁場印加手段は、
前記試料の裏面側に配設された電磁石から前記試料表面に垂直な面直磁場を発生させ、前記試料表面に面直磁場を印加させる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気光学特性測定装置。
【請求項５】
前記試料と前記レーザ光源との間の光路に光学レンズである集光レンズをさらに備える
ことを特徴とする請求項1乃至請求項４の何れか一項に記載の磁気光学測定装置。
【請求項６】
レーザ光源と、外部磁場印加手段と、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えると共に、強磁性体の試料の磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置の磁気光学特性の測定方法であって、
前記レーザ光源であるモードロックレーザにより、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射する工程と、
前記試料に隣接して設けられた前記外部磁場印加手段により、所定の外部磁場を電磁石により前記試料に印加する工程と、
前記照射された光パルス列が前記試料で反射した反射光、又は、前記光パルス列が前記試料を透過した透過光を前記偏光成分検出手段により検出して、その偏光成分を磁気光学信号として出力する工程と、
前記制御装置により、前記外部磁場印加手段を制御して、前記試料の磁化の光励起歳差運動が前記光パルス列の周期に同期したときの外部磁場と前記磁気光学信号とを共鳴条件として取得する工程と、
前記制御装置によって、前記共鳴条件における前記外部磁場の大きさと、前記光照射の繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場又は異方性磁場とダンピングファクタとを算出する工程と
を含むことを特徴とする磁気光学特性の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の磁気特性を測定する測定装置及びその測定方法に関し、特に光誘起歳差運動と高繰り返し光パルス励起との共鳴現象を利用した強磁性体の磁気光学特性測定装置及び磁気光学特性の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）やスピンＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）に代表されるスピントロニクスデバイスは、スピン注入磁化反転という新技術に基づいて作製されている。スピン注入磁化反転は、デバイス中の磁化の向きを、スピンが揃った電子の流れ（電流）で制御するものである。このスピン注入磁化反転の技術分野においては、近年、理論と実験の両面から非常に多くの研究が行われており、磁化を制御するために必要な臨界電流Ｉcを低減することが強く求められている。これが実現すれば、スピントロニクスデバイスにおいて、飛躍的な性能向上が期待され、応用の幅も広がる。
【０００３】
従来の理論研究から、臨界電流Ｉcの値を小さくするためには、異方性磁場Ｈaniの値が小さい磁性体や、ダンピングファクタと呼ばれるパラメータαの値が小さい磁性体を選べばよいという指針が得られる。ここで、異方性磁場Ｈaniは、磁性イオンの交換相互作用等に起因する有効的な内部磁場であり、ダンピングファクタαは、磁化の歳差運動の緩和過程を表す現象論的なパラメータである。しかしながら、異方性磁場Ｈaniやダンピングファクタαが物質によってどのように変化するのかについては、明らかにされてはいない。以上の理由により、様々な物質の異方性磁場Ｈani及びダンピングファクタαに関する研究が進められている。
【０００４】
近年、例えば、非特許文献１に示すように、超高速時間分解磁気光学分光法を用いて、異方性磁場Ｈaniやダンピングファクタαを決定する研究成果等が報告されている。これらの研究は、以下の原理に基づくものである。強磁性体に光を照射すると、温度上昇やキャリア濃度の変化により、磁気異方性が変化し、磁化（磁化ベクトル）が歳差運動を始めるという現象が生じる。そこで、これらの研究では、フェムト秒の時間分解磁気光学測定法を駆使して、磁化の歳差運動を観測し、理論モデルを用いた計算により観測データを解析して、異方性磁場Ｈaniとダンピングファクタαとを決定する。
【０００５】
また、常磁性体の化合物半導体に円偏光を照射すると、スピン偏極したキャリア（キャリアスピン）が生成することが知られている。そして、フォイクト配置（Voigt配置、フォークト配置ともいう）で、磁場を印加すると、キャリアスピンは、印加磁場の大きさを反映した周期で歳差運動を始める。この振る舞いは、およそ８０［ＭＨｚ］のパルス繰り返し周期のモードロックパルスレーザから出力されるパルス光を使用した超高速時間分解分光法により観測することができる。なお、フォイクト配置は、光の進行方向と直交する方向に磁界が印加されるような配置である。
【０００６】
そして、常磁性体のキャリアスピンの緩和時間よりもパルス光（レーザ光）の繰り返し周期の方が短い場合、複数のパルス光励起により注入されたスピンの歳差運動が互いに干渉する。その結果、パルス光の繰り返し周期が、キャリアスピンの歳差運動の周期の整数倍になるときに、キャリアスピンの歳差運動の振幅が、共鳴的に増幅する現象が生じる(非特許文献２参照)。この現象は、Resonant Spin Accumulation（ＲＳＡ）と称されている。
【０００７】
一方、強磁性体においてスピンの挙動は、常磁性体におけるスピンの挙動とは異なる。すなわち、強磁性体の場合には、互いに相互作用し合って一方向に配向した集団的な多数のスピンの挙動を考える必要がある。ただし、この場合にも、強磁性体に複数のパルス光を照射することで、常磁性体と同様に、スピンの歳差運動の干渉が起こることは、実験的に示され、理論的にもよく説明されている（非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Y.Hashimoto et al.,"Photoinduced Precession of Magnetization in Ferromagnetic (Ga,Mn)As" Phys. Rev. Lett., 100, 067202(2008)
【非特許文献２】J.M.Kikkawa and D.D.Awschalom,"Resonant Spin Amplification in n-Type GaAs" Phys. Rev. Lett. Vol.80, No.19, 4313(1998)
【非特許文献３】Y.Hashimoto et al.,"Coherent manipulation of magnetization precession in ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As with successive optical pumping" Appl. Phys. Lett., 93, 202506(2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、強磁性体の異方性磁場Ｈaniとダンピングファクタαとを決定するために従来から用いられている強磁性共鳴法や超高速時間分解磁気光学分光法には、以下の問題がある。
例えば、超高速時間分解磁気光学分光法は、１本のパルス光照射により誘起される磁気光学効果の変化を観測する。そのために、測定精度が充分とは言えず、また、強磁性体の試料の種類によっては評価することができない。さらに加えて、実験には大きく高価な測定装置と、熟練した実験技術とが必要不可欠である。また、強磁性共鳴法も、実験には大きく高価な測定装置と、熟練した実験技術とが必要不可欠である。
【００１０】
そこで、本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、強磁性体の試料の異方性磁場等の磁気光学特性を精度よく、安価で簡便に測定することができる磁気光学特性測定装置及び磁気光学特性の測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の磁気光学特性装置は、強磁性体の試料の磁化の光励起歳差運動の周期と、レーザ光源から当該試料に照射される高繰り返しパルスレーザ光の周期とを同期させ、前記試料の磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置であって、レーザ光を発生して前記試料に照射する前記レーザ光源と、前記試料に外部磁場を印加する外部磁場印加手段と、前記試料からの検出光の偏光成分を検出して磁気光学信号として出力する偏光成分検出手段と、前記磁気光学特性を算出する制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このような構成の磁気光学特性装置によれば、レーザ光源は、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射するモードロックレーザである。そして、前記外部磁場印加手段は、前記試料に隣接して設けられ、前記試料に所定の外部磁場を電磁石により印加させる。前記偏光成分検手段は、照射された前記光パルス列が前記試料で反射した反射光、又は、前記光パルス列が前記試料を透過した透過光を検出して、その偏光成分を磁気光学信号として前記制御装置に出力する。この偏光成分検出手段において、反射光を検出する場合は、カー効果の原理により磁気特性としての偏光成分を検出し、また、透過光を検出する場合は、ファラデー効果の原理により磁気特性としての偏光成分を検出する。
【００１３】
そして、このような構成の磁気光学特性装置において、前記制御装置では、前記外部磁場印加手段を制御して、前記試料の磁化の光励起歳差運動が前記光パルス列の周期に同期したときの外部磁場と前記磁気光学信号とを共鳴条件として取得し、この共鳴条件での前記光パルス列の周期と前記外部磁場の強度と前記磁気光学信号とを用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性である有効内部磁場又は異方性磁場とダンピングファクタとを算出する。
【００１４】
また、本発明の請求項２に記載の磁気光学特性装置は、請求項１に記載の磁気光学測定装置において、前記偏光成分検出手段が、光量検出手段と、光弾性変調器と、ロックインアンプとを備えることを特徴とし、前記光量検出手段は、前記照射された光パルス列が前記試料で反射した反射光、又は、前記光パルス列が前記試料を透過した透過光の強度を検出し、前記光弾性変調器は、前記レーザ光源から前記試料に照射される前記光パルス列の光路の途中に配置され、前記光パルス列を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光とに切り替えて出力し、そして、前記ロックインアンプは、前記光弾性変調器で前記光パルス列を変調した周波数信号を参照信号として、前記光量検出手段が検出する光強度信号から偏光成分を測定した結果を前記磁気光学信号として、ロックイン検出し前記制御装置に出力する。
【００１５】
このような構成の磁気光学測定装置によれば、偏光検出手段は、光量検出手段と、光弾性変調器と、ロックインアンプとを備え、時間変調された光強度から間接的に磁気光学信号を検出する。すなわち、照射された光パルス列が試料で反射した反射光、又は、光パルス列が試料を透過した透過光が光量検出手段に入射したときに、ロックインアンプが円二色性の原理に従って、左回り円偏光と右回り円偏光の差から磁気特性としての偏光成分を検出する。
【００１６】
また、請求項３に記載の磁気光学測定装置は、請求項１又は請求項２に記載の磁気光学測定装置において、前記外部磁場印加手段が、前記試料の両側面側に配設された電磁石から前記試料表面に平行な面内磁場を発生させ、前記試料表面に面内磁場を印加させる。
そして、請求項４に記載の磁気光学測定装置は、請求項１又は請求項２に記載の磁気光学測定装置において、前記外部磁場印加手段が、前記試料の裏面側に配設された電磁石から前記試料表面に垂直な面直磁場を発生させ、前記試料表面に面直磁場を印加させる。
【００１７】
このような構成の磁気光学測定装置によれば、試料の作製条件による試料形態あるいは物理的特性によって、外部磁場印加手段を面内磁場印加方式又は面直磁場印加方式とすることができる。
【００１８】
また、請求項５に記載の磁気光学測定装置は、請求項1乃至請求項４の何れか一項に記載の磁気光学測定装置において、前記試料と前記レーザ光源との間の光路に光学レンズである集光レンズをさらに備えることを特徴とする。
【００１９】
前記集光レンズは、前記レーザ光源であるモードロックレーザからの前記光パルス列を集光し前記試料に照射する光学レンズであり、前記試料の磁気光学特性の測定において、光励起強度を高めることで磁気光学信号の検出分解能を向上させ、かつ、空間分解能を向上させる。
【００２０】
また、前記目的を達成するために、本発明の請求項６に記載の磁気光学特性の測定方法は、レーザ光源と、外部磁場印加手段と、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えると共に、強磁性体の試料の磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置の磁気光学特性の測定方法であって、以下の工程を含むこととした。
【００２１】
磁気光学特性の測定方法では、第１の工程として、前記レーザ光源であるモードロックレーザにより、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射する。第２の工程として、前記試料に隣接して設けられた前記外部磁場印加手段により、所定の外部磁場を電磁石により前記試料に印加する。第３の工程として、前記照射された光パルス列が前記試料で反射した反射光、又は、前記光パルス列が前記試料を透過した透過光を前記偏光成分検出手段により検出して、その偏光成分を磁気光学信号として出力する。そして、第４の工程として、前記制御装置により、前記外部磁場印加手段を制御して、前記試料の磁化の光励起歳差運動が前記光パルス列の周期に同期したときの外部磁場と前記磁気光学信号とを共鳴条件として取得し、第５の工程として、前記制御装置によって、前記共鳴条件における前記外部磁場の大きさと、前記光照射の繰り返し周期との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場又は異方性磁場とダンピングファクタとを算出する。
【００２２】
このような工程によれば、磁気光学特性の測定方法において、前記請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の磁気光学測定装置を用いて強磁性体の磁気光学特性を測定することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による請求項1に記載の磁気光学特性測定装置によれば、強磁性体の試料の異方性磁場等の磁気光学特性を精度よく、安価で簡便に測定することができる。
【００２４】
また、磁気光学特性測定装置のレーザ光源を、高繰り返し周期の光パルス列を発生するモードロックレーザとすることで、従来の８０［ＭＨｚ］程度の繰返し周期のレーザ光源、たとえば、１ｍ程度の直線空間を必要とするＣＯ2ガスレーザやＴｉサファイアレーザ等のバルク型のレーザ光源と比較して、格段にレーザ光源の装置を小型化することができるので、磁気光学特性装置全体としての装置を小型化することができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明によれば、磁気光学特性測定装置は、偏光成分検出手段を安価な光量検出手段、たとえば、フォトダイードを用いて構成することができる。
【００２６】
請求項３に記載の発明によれば、磁気光学特性測定装置は、試料表面に面内磁場を印加させることができる。また、請求項４に記載の発明によれば、磁気光学特性測定装置は、試料表面に面直磁場を印加させることができる。したがって、試料の作製条件による試料形態あるいは物理的特性に対応した外部磁場印加手段を選択することで試料の磁気特性光学特性を測定することができる。
【００２７】
請求項５に記載の発明によれば、磁気光学特性測定装置は、強磁性体の試料の磁気光学特性の測定において空間分解能を向上させることができる。
【００２８】
請求項６に記載の発明によれば、磁気光学特性の測定方法において、請求項１乃至請求項５に記載の磁気光学特性測定装置を用いて、強磁性体の磁気光学特性を精度よく安価で簡便に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態の磁気光学特性測定装置を説明するための構成図である。
【図２】本発明における磁化の歳差運動を説明するための概念図であって、（ａ）は平衡状態、（ｂ）はパルス光照射直後、（ｃ）はパルス光の照射後に磁化が向く方向をそれぞれ示している。
【図３】本発明において、１本のパルス光を試料に照射したときの磁化Ｍの時間的変化の計算結果を示す図であり、（ａ）は、Ｈeffの傾き、（ｂ）は、１−Ｍx成分、（ｃ）は、Ｍy成分、（ｄ）は、Ｍz成分、及び、（ｅ）は、Ｍy成分／Ｍz成分の合成変化をそれぞれ示す。
【図４】本発明において、２本連続したパルス光を試料Ｆに照射した場合の磁化Ｍの歳差運動を説明するための概念図であり、（ａ）は、１本目のパルス光を照射後の磁化Ｍの振る舞い、（ｂ１）は、共鳴条件での１本目の照射による磁化Ｍの歳差運動の終了時点、（ｃ１）は、共鳴条件での２本目の照射による磁化Ｍの歳差運動をそれぞれ示し、（ｂ２）は、非共鳴条件での１本目の照射途中の磁化Ｍの振る舞い、（ｃ２）は、非共鳴条件での２本目の照射後の磁化Ｍの振る舞いをそれぞれ示す。
【図５】本発明における磁化の歳差運動の干渉を概念的に示すタイミングチャートであり、（ａ）は非共鳴時の歳差運動、（ｂ）は共鳴時の歳差運動、（ｃ）はパルスレーザの出力タイミングをそれぞれ示している。
【図６】本発明において、共鳴条件で２本連続したパルス光を試料に照射した場合の磁化Ｍの時間的経過の挙動を説明するための計算結果を示す図であり、（ａ）は、Ｈeffの傾き、（ｂ）は、１−Ｍx成分、（ｃ）は、Ｍy成分、（ｄ）は、Ｍz成分、及び、（ｅ）は、Ｍy成分／Ｍz成分の合成変化をそれぞれ示す。
【図７】本発明において、非共鳴条件で２本連続したパルス光を試料に照射した場合の磁化Ｍの時間的経過の挙動を説明するための計算結果を示す図であり、（ａ）は、Ｈeffの傾き、（ｂ）は、１−Ｍx成分、（ｃ）は、Ｍy成分、（ｄ）は、Ｍz成分、及び、（ｅ）は、Ｍy成分／Ｍz成分の合成変化をそれぞれ示す。
【図８】本発明において、共鳴条件で５０本連続したパルス光を試料に照射した場合の磁化Ｍの時間的経過の挙動を説明するための計算結果を示す図であり、（ａ）は、Ｈeffの傾き、（ｂ）は、１−Ｍx成分、（ｃ）は、Ｍy成分、（ｄ）は、Ｍz成分、及び、（ｅ）は、Ｍy成分／Ｍz成分の合成変化をそれぞれ示す。
【図９】本発明において、非共鳴条件で５０本連続したパルス光を試料に照射した場合の磁化Ｍの時間的経過の挙動を説明するための計算結果を示す図であり、（ａ）は、Ｈeffの傾き、（ｂ）は、１−Ｍx成分、（ｃ）は、Ｍy成分、（ｄ）は、Ｍz成分、及び、（ｅ）は、Ｍy成分／Ｍz成分の合成変化をそれぞれ示す。
【図１０】本発明において、共鳴条件で５０本連続したパルス光を試料に照射した場合の磁化Ｍの時間的経過時間５０００ｐｓ近傍で磁化Ｍの挙動を説明するための計算結果を示す図であり、（ａ）は、１−Ｍx成分、（ｂ）は、Ｍy成分、（ｃ）は、Ｍz成分変化をそれぞれ示す。
【図１１】本発明において、連続して出力されるパルス光の本数ｎが５０のときのδＭx、δＭy、δＭzの有効内部磁場Ｈeff依存性を説明するための計算結果である。
【図１２】本発明において、連続して出力されるパルス光の本数ｎが５０のときの磁化Ｍの有効内部磁場Ｈeffに対するダンピングファクタαをパラメータとした計算結果であり、（ａ）は、δＭx成分、（ｂ）は、δＭy成分、及び（ｃ）は、δＭz成分についての計算結果である。
【図１３】本発明において、連続して出力されるパルス光の本数ｎが５０のときの磁化Ｍの有効内部磁場Ｈeffに対する緩和時間τをパラメータとした計算結果であり、（ａ）は、δＭx成分、（ｂ）は、δＭy成分、及び（ｃ）は、δＭz成分についての計算結果である。
【図１４】本発明の磁気光学特性の測定方法の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１５】第１実施形態の磁気光学特性測定装置の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態の磁気光学特性測定装置を説明するための構成図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態の磁気光学特性測定装置を説明するための構成図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態の磁気光学特性測定装置を説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の磁気光学特性測定装置及び磁気光学特性の測定方法の第１の実施形態乃至第４の実施形態について、図１乃至図１８を参照して説明する。以下では、説明の都合上、第１の実施形態として、（１）磁気光学特性測定装置の概要、（２）理論モデルの概要と計算結果、（３）磁気光学特性の測定方法の全体の流れ、（４）磁気光学測定装置の制御装置の構成例について説明した後、第２乃至第４の実施形態について順次説明する。
【００３１】
（第１の実施形態）
（１）磁気光学特性測定装置の概要
図１は、本発明の第１の実施形態の磁気光学特性測定装置１を説明するための構成図である。磁気光学特性測定装置１は、所定の繰り返し周期ｔrepのレーザ光を強磁性体の試料Ｆに照射することで、当該試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを含む磁気光学特性を測定するものである。
磁気光学特性測定装置１は、図１に示すように、レーザ光源２と、光学系３と、外部磁場印加手段４と、偏光検出器５と、制御装置６とを備えている。
【００３２】
レーザ光源２は、強磁性体の試料Ｆの磁化の歳差運動の周期ＴMに同期可能な繰り返し周期ｔrepの連続した光パルス列のレーザ光をポンプ光として照射するものである。ここで、レーザ光源２の繰り返し周波数νL（＝１／ｔrep）は、磁気光学特性測定対象の試料に応じて、例えば、１００［ＭＨｚ］から１［ＴＨｚ］の範囲で予め設定しておく。また、レーザ光源２の繰り返し周期ｔrepは、試料Ｆの磁化の歳差運動の周期ＴMよりも小さいことが好ましい。
【００３３】
本実施形態では、レーザ光源２として、繰り返し周波数νLが例えば３〜５［ＧＨｚ］のモードロックレーザを使用する。なお、この場合、レーザ光源２は、３［ＧＨｚ］の一定の繰り返し周波数の光パルス列のレーザ光を出力する専用装置としてもよいし、繰り返し周波数を３［ＧＨｚ］で出力するモードと、５［ＧＨｚ］で出力するモードとを切り替えることのできる汎用装置としてもよい。
【００３４】
光学系３は、図１に示すように、光学レンズから構成される集光レンズ１０を備えることも可能で、レーザ光源２からの光パルス列のレーザ光を集光して試料Ｆに照射できるように構成した。
【００３５】
外部磁場印加手段４は、基板１２に固定された試料Ｆに所定の磁場を印加するものであり、電磁石で構成される。この外部磁場印加手段４は、後記するように、試料Ｆに磁場を印加することで、試料Ｆにおいて磁化の歳差運動の周期を制御する。本実施形態では、外部磁場印加手段４で印加する磁場（外部磁場Ｈext）の方向を、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniの方向と平行であるものとした。つまり、一例として、試料Ｆの有効内部磁場Ｈeffの方向が面内方向である場合には、図１に示すように、外部磁場印加手段４は、試料Ｆの表面に対して平行な面内磁場を印加できるように配設される。なお、試料Ｆに印加する外部磁場Ｈextの大きさ（値）の変化に応じて、試料Ｆにおける有効内部磁場Ｈeffの大きさは変化し、外部磁場Ｈextが試料Ｆに印加されていない場合には、有効内部磁場Ｈeffの大きさは異方性磁場Ｈaniの大きさと等しくなる。
【００３６】
基板１２は、例えば、数〜数十［ｎｍ］程度の薄い膜状の試料Ｆを固定するために設けられており、試料Ｆを固定することができれば、そのサイズ、形状、材質等が限定されるものではない。例えば、試料Ｆを基板１２上にスパッタリング法等により積層する場合には、シリコン（Ｓｉ）やガラス等の一般的な基板材料を用いることができる。このとき、基板１２の厚さや大きさは数［ｍｍ］程度とすることができる。
【００３７】
偏光検出器（偏光成分検出手段）５は、レーザ光源２からの光パルス列のレーザ光が試料Ｆで反射した反射光を受光してその偏光成分を検出し、この検出した、偏光成分を示す磁気光学信号（Magneto-Optical信号：以下、ＭＯ信号という）を制御装置６に出力する。
【００３８】
制御装置６は、例えば、一般的なパーソナルコンピュータ等から構成される。この制御装置６は、偏光検出器５で検出したＭＯ信号を取得し、取得したデータを、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づく理論モデルを用いて解析することで、試料Ｆの磁気光学特性として、有効内部磁場Ｈeffの値とダンピングファクタαの値とを算出するものである。
【００３９】
（２）理論モデルの概要と計算結果
次に、本発明の磁気光学測定における理論モデルの概要と計算結果について図２乃至図１３を参照して説明する。ここでは、２．１磁化の歳差運動、２．２磁化の歳差運動の干渉、２．３ＭＯ信号の各節について順次説明する。
【００４０】
（２．１）磁化の歳差運動
まず、理論モデルの前提として、磁化の歳差運動について説明する。理論モデルを説明するための概念図を図２に示す。図２では、薄い膜状の試料Ｆが固定される平面をｘｙ平面、その平面の法線方向をｚ軸として示した。つまり、レーザ光源２から照射されるパルス光の照射方向は、ｚ軸方向である。また、図２（ａ）に示す平衡状態においては、試料Ｆの磁化ベクトルＭ（以下、単に磁化Ｍという）と有効内部磁場ベクトルＨeff（以下、単に有効内部磁場Ｈeffという）は、図示するようにｘ軸方向に向いているものとする。
【００４１】
つまり、磁化Ｍは、式（１）で表され、同様に、有効内部磁場Ｈeffは式（２）で表される。なお、式（１）に示すＭsは磁化のｘ成分の大きさ（飽和磁化）を表し、式（２）に示すＨ0は有効内部磁場のｘ成分の大きさを表している。
【００４２】
【数１】
2011039008.tif 000003
【００４３】
この平衡状態において、光を磁性体に照射すると、物質の温度上昇やキャリア濃度の変化により磁気異方性が変化する。ここでは、図２（ｂ）に示すように、レーザ光源２から試料Ｆに照射されるパルス光の照射直後に、パルス光に起因した磁気異方性の変化が生じて、有効内部磁場Ｈeffがｚ軸方向に角度θだけ傾くと仮定する。したがって、パルス光の照射直後においては、有効内部磁場を示す関係式は、前記した式（２）から式（３）へと書き換えられる。また、このとき、スピンには、磁化Ｍと異方性磁場Ｈaniを含む平面に対して垂直な方向に、式（４）で表されるトルクＦがかかる。なお、式（４）において、記号「×」は外積を表し、γは磁気回転比を表す。
【００４４】
【数２】
2011039008.tif 000004
【００４５】
したがって、式（４）で表されるトルクＦにより磁化Ｍは歳差運動を始めることになる。パルス光の照射後において、磁化Ｍの歳差運動は、図２（ｃ）に示すように、有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする円運動を示す。この磁化Ｍの歳差運動の時間変化は、ＬＬＧ方程式と呼ばれる式（５）を用いてよく再現できる（非特許文献１参照）。
【００４６】
【数３】
2011039008.tif 000005
【００４７】
パルス光照射により誘起された磁化Ｍの歳差運動は、時間の経過にしたがって小さくなる。これをダンピングといい、その挙動は、式（５）に示すダンピングファクタα（Gilbert減衰定数）を用いて表現される。仮にダンピングファクタαを０とすると、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMは、式（６）を用いて求められる。式（６）において、νMは歳差運動の振動数（１／ＴM）、ｈはプランク定数、μBはボーア磁子、ｇはｇ因子をそれぞれ示している。
【００４８】
【数４】
2011039008.tif 000006
【００４９】
磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／νM）は、式（６）に示す定数部分を無視すると、ｇ因子と有効内部磁場Ｈeffの値に依存していることが分かる。また、周期ＴMは、試料Ｆの種類や実験条件などに強く依存し、おおよそピコ秒からサブナノ秒であることが、これまでの実験を通して確かめられている（非特許文献１参照）。
【００５０】
ここで、この理論モデルの概要の説明において、簡便のため、次の２つの条件を導入する。
条件１：前記した式（２）に示した角度θ、すなわち、有効内部磁場Ｈeffがｚ軸方向に傾く角度θは、考慮している時間（例えば、ピコ秒からサブナノ秒）では緩和しないものとする。つまり、角度θは、時間に依存せず一定であって、時間ｔの関数ではないものとする。言い換えると、光照射による有効内部磁場Ｈeffの向きの変化の緩和時間τが無限大（τ＝∞）であるものとする。
条件２：ダンピングファクタαの値を０とする。
【００５１】
磁化Ｍの歳差運動の緩和時間τが、磁性体に照射されるパルス光の繰返し周期ｔrepよりも短いとき、磁化Ｍの歳差運動の干渉が起こる。このときの磁化Ｍの挙動は、連続するパルス光照射によって誘起される異方性磁場の変化（複数のパルス光による変化）が、個々のパルス光照射により誘起される異方性磁場の変化（１つのパルス光による変化）の線形和だとすることで計算することができる。このことは、非特許文献３から導かれる。
【００５２】
たとえば、１つのパルス光を試料に照射した場合の磁化Ｍについて、条件１及び条件２における計算結果を図３に示す。なお、計算では、図３（ａ）のように光照射によりＨeffがｚ軸方向に０．１ラジアン傾くと仮定した。このような条件の下、１本のパルス光を照射したときの１−Ｍx、Ｍy、そしてＭzの時間変化を、それぞれ図３（ｂ）乃至図３（ｄ）に示す。それぞれ、磁化Ｍの歳差運動を反映した顕著な振動構造を示す。Ｍｘは、ＭyとＭzに比べて３桁ほど小さいので、図３（ｅ）にＭy成分とＭz成分の変化を比較する。Ｈeffが光照射によりｚ軸方向に傾いたことで、磁化ＭがＨeffを中心軸とする円運動を示すことがわかる。
【００５３】
（２．２）磁化の歳差運動の干渉
ここで、磁化Ｍの歳差運動の干渉を説明するために、計算機シミュレーションにより２本の連続したパルス光を磁性体に照射することを想定する。また、この計算では、レーザの繰返し周波数νL（＝１／ｔrep）が５［ＧＨｚ］であるものと仮定する。つまり、レーザの繰返し周期ｔrepは、２００［ｐｓ］である。
【００５４】
また、磁性体の磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／νM）と、レーザの繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）とが同期するときに磁性体に生じている有効内部磁場Ｈeffのことを、「共鳴が起こる磁場Ｈres」と表記し、式（７）で表すこととする。また、これを共鳴条件と呼ぶことにする。このとき、共鳴が起こる磁場Ｈresは、式（８）のように表される。
【００５５】
【数５】
2011039008.tif 000007
【００５６】
式（８）において、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］、ｇ因子の値を「２」としたときに、共鳴が起こる磁場Ｈresの値は、１７８．５［ｍＴ］と見積もられる。
【００５７】
式（８）は、前記した式（６）に類似しているが、例えば５［ＧＨｚ］のように固定されたレーザの繰り返し周波数νL（＝１／ｔrep）と、それに伴ってある所定値に固定された有効内部磁場Ｈeff（共鳴が起こる磁場Ｈres）との関係式である。
【００５８】
一方、前記した式（６）は、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／νM）と、有効内部磁場Ｈeffとの関係式であり、いずれも変動する。そのため、磁化Ｍの挙動は、この変更可能なパラメータとしての有効内部磁場Ｈeffを変化させることで制御可能である。
【００５９】
ここで、２本の連続したパルス光を照射した場合の磁化Ｍの概念図を、図４を参照して説明する。図４（ａ）、図４（ｂ１）、及び、図４（ｃ１）には、共鳴条件である式（７）の場合における２本の連続したパルス光を照射した場合の磁化Ｍの歳差運動の振る舞いを示す。また、図４（ａ）、図４（ｂ２）、及び、図４（ｃ２）には、共鳴条件からずれた場合、ここでは、式（７）において、Ｈeff＝Ｈres／２となる条件での磁化Ｍの歳差運動の振る舞いを示す。
【００６０】
共鳴条件の場合の磁化Ｍの振る舞いは、図４（ａ）において、１本目のパルス光を照射後、磁化ＭはＨeffを中心軸とする歳差運動を始める。そして、図４（ｂ１）に示すように、磁化ＭはＨeffを中心軸とする歳差運動して一周する。つぎに、共鳴条件、すなわち、Ｈeff＝Ｈresにおいて、２本目のパルス光を照射すると、磁化ＭとＨeffとがなす角度は、図４（ｃ１）に示すように、１本目のパルス光による歳差運動（図４（ａ））の場合の角度の２倍になり、歳差運動の振幅も２倍となる。
【００６１】
また、共鳴条件からずれた場合、Ｈeff＝Ｈres／２においての磁化Ｍの振る舞いは、図４（ａ）の状態から、図４（ｂ２）に示すように、磁化ＭはＨeffを中心軸とする歳差運動を始めるが、半周した後に歳差運動を停止する。そして、共鳴条件からずれた条件（非共鳴条件）では、２本目のパルス光を照射すると、図４（ｃ２）に示すように、磁化ＭとＨeffは平行となり、磁化Ｍの歳差運動はなくなる。
【００６２】
ここで、磁化Ｍの歳差運動と、パルスの繰り返し周期ｔrepとの同期について図５を参照して説明する。図５は、磁化の歳差運動と、パルスの繰り返し周期との同期を概念的に示すタイミングチャートである。図５（ａ）では、簡便のため、１本のパルス光が照射されたときの磁化の歳差運動のｙ成分を正弦波形で示した。この例では、磁化の歳差運動の周期ＴMの最初の値を４００［ｐｓ］とした。また、レーザの繰返し周期ｔrepの値は、図５（ｃ）に示すように２００［ｐｓ］とした。例えば、１回目（ｎ＝１）のパルス（パルスレーザ）が時刻０［ｐｓ］で出力され、２回目（ｎ＝２）のパルスが時刻２００［ｐｓ］で出力され、３回目（ｎ＝３）のパルスが時刻４００［ｐｓ］で出力される。なお、パルス波形の時間幅はフェムト秒程度である。
【００６３】
図５（ａ）に示すように、歳差運動の周期ＴMの最初の値（４００［ｐｓ］）と、繰り返し周期ｔrepの値（２００［ｐｓ］）とが異なる場合には、磁化の歳差運動はパルスの繰り返し周期ｔrepに同期していないので、複数本のパルス光が照射されたとしても、磁化Ｍの歳差運動と、パルスレーザとの共鳴は起こらない（非共鳴）。
【００６４】
次に、レーザの繰返し周期ｔrepの値を２００［ｐｓ］に固定した状態で、所定値の外部磁場を印加することで、図５（ｂ）に示すように、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMの値を２００［ｐｓ］に変化させた。図５（ｂ）に示す例の場合には、歳差運動の周期ＴMの値（２００［ｐｓ］）と、繰り返し周期ｔrepの値（２００［ｐｓ］）とは同じであり、磁化の歳差運動はパルスの繰り返し周期ｔrepに同期する。このとき、例えば、２回目（ｎ＝２）のパルスが照射されると、１回目に生じた歳差運動と、２回目に生じた歳差運動とが干渉する。そして、共鳴が起こり、１回目（ｎ＝１）のパルスが照射された場合と比較して、磁化Ｍの歳差運動の振幅がおよそ２倍となる。同様に、共鳴により、３回目（ｎ＝３）のパルスが照射されると、初めの振幅のおよそ３倍となる。
【００６５】
図５に示した波形は、磁化Ｍの歳差運動と、パルスの繰り返し周期ｔrepとの同期について概念的に説明するための一例であって、実際の波形とは異なっている。しかしながら、計算機シミュレーションで実際に確かめた結果、次のことが結論付けられた。
【００６６】
共鳴条件においては、磁化Ｍの歳差運動に、次のような特徴がある。すなわち、磁性体の有効内部磁場Ｈeffの値が、その磁性体においてパルス光との共鳴が起こる磁場Ｈresの値と等しいという条件を満たす場合においては、磁化Ｍの歳差運動の振幅は、ポンプ光として照射されたパルス光の個数におおよそ比例して増大する。
一方、共鳴条件を満たさない場合（非共鳴条件の場合）、複数のパルス光照射により誘起される磁化Ｍの歳差運動は、各々が打ち消しあって歳差運動の振幅が小さくなる。
そこで、本実施形態では、連続したパルス光で励起した磁化Ｍの挙動を、パルス光の反射光が示すＭＯ信号を観測して評価することとした。
【００６７】
共鳴条件及び非共鳴条件について、磁化Ｍの時間的経過の挙動を図６及び図７にそれぞれ示す。
図６（ａ）乃至図６（ｅ）は、共鳴条件Ｈeff＝Ｈresにおいて、１本目から２本目のパルス光を照射した後までの時間的経過を示している。各図の縦軸及び横軸は、１本目の磁化Ｍについて示した図３と同様である。ただし、光照射によりＨeffがｚ軸方向に１ミリラジアン傾くと仮定した。計算結果は、図４（ａ）、図４（ｂ１）、及び、図４（ｃ１）を参照して説明した共鳴条件での磁化Ｍの振る舞いと同様に歳差運動を継続する。
【００６８】
また、図７（ａ）乃至図７（ｅ）は、共鳴条件からずれた条件、Ｈeff＝Ｈres／２における１本目から２本目のパルス光を照射した後までの時間的経過を示している。計算結果は、図４（ａ）、図４（ｂ２）、及び、図４（ｃ２）を参照して説明した共鳴条件からずれた場合の磁化Ｍの振る舞いと同様に磁化Ｍの歳差運動はない。
【００６９】
すなわち、前記式（６）で説明したように、計算結果からも磁化Ｍの挙動は、有効内部磁場Ｈeffを変化させることで制御可能であることがわかる。
【００７０】
さらに、照射するパルス光の数を増やした場合、たとえば、５０本の連続したパルス光を照射した場合も、磁化Ｍの挙動は同様であることが計算結果からわかった。図８及び図９には、照射するパルス光を５０本にした場合の、磁化Ｍの挙動の計算結果について、共鳴条件Ｈeff＝Ｈresの場合と、共鳴条件からずれた条件（非共鳴条件）、Ｈeff＝Ｈres／２の場合についてそれぞれ示した。
【００７１】
共鳴条件では、磁化Ｍの歳差運動の振幅はパルス光の数におよそ比例して増大する。一方、共鳴条件からずれた条件の場合には、複数のパルス光照射により誘起される磁化Ｍの歳差運動は、各々打ち消し合って歳差運動の振幅は小さくなる。
【００７２】
さらに、図１０を参照して、共鳴条件における５０本の連続したパルス光を照射した時間経過での、すなわち、レーザパルス光の繰り返し周期を２００ｐｓとした場合の経過時間５０００ｐｓでの磁化Ｍの挙動を説明する。図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）は、磁化Ｍの１−Ｍx、Ｍy、及び、Ｍzの時間変化を示している。
【００７３】
共鳴条件における磁化Ｍの挙動の変化の特徴として、パルス光が照射される時間（時刻）での磁化Ｍの１−Ｍx、Ｍy、及び、Ｍzの値（図中矢印で示した時刻での値）は、ほぼ零である。このことは、図３及び図６を参照して説明した、共鳴条件での１本目及び２本目のパルス光を照射した場合も同様である。
すなわち、共鳴条件では、磁化Ｍは、平衡状態での向きに近いということができる。
【００７４】
（２．３）ＭＯ信号
この節では、２．３．１有効内部磁場とＭＯ信号との関係、２．３．２外部磁場とＭＯ信号との関係、２．３．３ダンピングファクタ及び緩和時間とＭＯ信号との関係の各テーマについて説明する。
（２．３．１）有効内部磁場とＭＯ信号との関係
連続したパルス光により励起した磁化Ｍの挙動を、パルス光の反射光が示すＭＯ信号を観測することによって評価することにする。観測されるＭＯ信号Θの一例として、式（９ａ）で定義する。
【００７５】
【数６】
2011039008.tif 000008
【００７６】
ここで、ｎは、レーザ光源２から出力される何番目のパルス光であるかを示す整数である（ｎ＝０、１、２、…）。
【００７７】
式（９ｂ）に示すΘxδＭxnとΘyδＭynとは、ともに、ＭＬＤ（Magnetic Linear Dichroism：磁気線二色性）と縦カー効果とを介して観測される面内磁化成分の変化を表している。また、式（９ｂ）に示すΘzδＭznは、極カー効果を介して観測される面直磁化成分の変化を表している。また、Θx、Θy、Θzは、試料Ｆの種類や温度などの実験条件に依存し、観測されるＭＯ信号Θの偏光依存性や波長依存性などから評価する重みを表している。また、δＭxn、δＭyn、δＭznは、直接観測するものではなく、式（９ｃ）〜式（９ｅ）により計算で求めるものである。
【００７８】
式（９ｃ）〜式（９ｅ）の右辺において、ｔrepは、パルスの繰り返し周期（１／νL）を示し、Ｍxn（ｎｔrep）、Ｍyn（ｎｔrep）、Ｍzn（ｎｔrep）は、ｎ番目のパルスを受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示し、Ｍsは飽和磁化を示す。
【００７９】
また、式（９ｃ）〜式（９ｅ）の左辺にそれぞれ示すδＭxn、δＭyn、δＭznは、ｎ番目のパルスによる磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の変化を表している。ここで、非特許文献３の手法にならって、連続するパルス光照射によって誘起される異方性磁場の変化が、個々のパルス光照射により誘起される異方性磁場の変化の線形和であるものとして、式（１０ａ）〜式（１０ｃ）にそれぞれ示すように、ｎ本の連続して出力されるパルスによって誘起される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを、ＭＯ信号の各成分に相当する量として計算する。
【００８０】
【数７】
2011039008.tif 000009
【００８１】
一例として、連続して出力されるパルス光の本数ｎを「５０」として計算したδＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性を図１１に示す。図１１のグラフにおいて、横軸は、有効内部磁場Ｈeffを示し、縦軸は、δＭx、δＭy、δＭzのそれぞれの大きさを任意単位（a.u.：arbitrary unit）で重ねて示している。ここでは、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］として、前記の２つの条件（ダンピングファクタα＝０、緩和時間τ＝∞）を課して計算した。
【００８２】
なお、δＭxは、δＭyやδＭzに比べて３桁ほど小さい。また、計算負荷を低減するためにｎ＝５０としたが、パルス本数ｎの個数は、５０に限定されるものではない。さらに、パルス光を照射し続けると磁化の傾く角度θの大きさは増え続けるが、充分な時間が経過すると緩和するためにある擬平衡状態となる。この擬平衡状態も計算により求めることができる。
【００８３】
図１１のグラフから、有効内部磁場Ｈeffの値がおよそ１７８．５［ｍＴ］である場合に、δＭx、δＭy、δＭzの値がそれぞれ「０」となっていることが分かる。これは、共鳴条件が満たされる条件下では、磁化Ｍは、図２（ａ）に示すような平衡状態の向きとほぼ同じ向きになるためである。また、このときの有効内部磁場Ｈeffの値は、前記した式（８）において、ｇ因子の値を「２」として見積もられた、共鳴が起こる磁場Ｈresの値と同様なものである。一方、共鳴条件が満たされないときの有効内部磁場Ｈeffの範囲では、図１１に示すように、δＭx、δＭy、δＭzの値が有効内部磁場Ｈeffにほとんど依存せずに一定値を取っている。つまり、δＭx、δＭy、δＭz（ＭＯ信号の各成分に相当する量）の値は、共鳴条件を満たす磁場近辺で顕著な変化を示すと結論付けられる。
【００８４】
（２．３．２）外部磁場とＭＯ信号との関係
また、外部磁場Ｈext中にある強磁性体の有効内部磁場Ｈeffは、式（１１）で記述される。この式（１１）において、Ｈdemは反磁場を示す。ここでは、異方性磁場Ｈaniが反磁場Ｈdemに比べて十分大きいものと仮定しＨdem＝０とした式（１２）を用いることとする。このとき、異方性磁場Ｈaniは、式（１３）より求められる。
【００８５】
【数８】
2011039008.tif 000010
【００８６】
共鳴が起こる磁場Ｈresは、前記した式（８）の関係式から、レーザの繰返し周期ｔrep（＝１／νL）によって決まる。そのため、有効内部磁場Ｈeffの値が、共鳴が起こる磁場Ｈresの値と等しいとき、すなわち、共鳴条件を満たすときに、外部磁場Ｈextを決定できれば、異方性磁場Ｈaniが決定できることを式（１２）および式（１３）は示唆している。なお、本実施形態では、外部磁場Ｈextの方向と、異方性磁場Ｈaniの方向とを平行であるものとして取り扱うことで、式（１３）においてベクトルである磁場をスカラーとして取り扱うこととする。
【００８７】
共鳴条件を満たす外部磁場Ｈextを決定することは、ＭＯ信号を外部磁場Ｈextに対して系統的に観測することで実現できる。つまり、試料Ｆに所定値の外部磁場Ｈextを印加した状態で、連続パルスを照射したときに、偏光検出器５でＭＯ信号を検出し、制御装置６で解析した結果、共鳴条件を満たさなければ、外部磁場Ｈextの値を変更して同様な操作を繰り返せばよい。
【００８８】
例えば、試料Ｆに外部磁場を印加していない場合に磁化Ｍの歳差運動の振動数をνM1とすると、前記した式（６）は式（１４）のように書き換えられる。また、外部磁場Ｈext中でパルス光に共鳴するときの磁化Ｍの歳差運動の振動数をνM2とすると、前記した式（６）は式（１５）のように書き換えられる。
【００８９】
【数９】
2011039008.tif 000011
【００９０】
（２．３．３）ダンピングファクタ及び緩和時間とＭＯ信号との関係
また、前記の２つの条件（ダンピングファクタα＝０、緩和時間τ＝∞）は、簡便のために導入した。ただし、実際には、例えば、強磁性金属の緩和時間τは数マイクロ秒から数ミリ秒であり、強磁性半導体の緩和時間τはサブナノ秒であることが知られている。また、実際のダンピングファクタαは、強磁性金属でも強磁性半導体でも、０．１乃至０．００１のオーダにあることが知られている。強磁性体の磁気特性において、異方性磁場Ｈaniに加えて、ダンピングファクタαの決定も重要な課題である。
【００９１】
そこで、ＭＯ信号のダンピングファクタα依存性と緩和時間τ依存性について記載する。
【００９２】
連続して出力されるパルス本数ｎを「５０」として計算したδＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性およびα依存性を図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）に示す。図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）のグラフにおいて、横軸は、有効内部磁場Ｈeffを示し、縦軸は、δＭx、δＭy、δＭzのそれぞれの大きさを任意単位で示している。ここでは、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］として、前記の２つの条件のうち緩和時間τ＝∞だけを課して、ダンピングファクタαの値を０、０．００１、０．０１、０．１、及び、1としたときのそれぞれのケースについて計算した。
【００９３】
図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）に示すように、δＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性を示すグラフは、それぞれ特徴的な形状をしていることが分かる。具体的には、ダンピングファクタαの値が０である場合には、図１１に示したグラフと同じ形状となる。つまり、有効内部磁場Ｈeffの値が共鳴条件（およそ１７８．５［ｍＴ］）の前後の非共鳴条件の範囲では、グラフはほぼ平坦に形成されているが、共鳴条件の範囲では、グラフに凸形状または凹形状の突出部が形成されている。この突出部はグラフにおいて所定磁場範囲を示す線幅を有している。まず、ダンピングファクタαの値を、０から０．００１に増加しても、δＭx、δＭy、δＭz（ＭＯ信号の各成分に相当する量）に大きな変化は見られない。つまり、グラフにおいて、αの値が０であるときの線幅と、αの値が０．００１であるときの線幅とはほとんど同じであるが、これは、計算の精度不足に起因する。
【００９４】
一方、一般的な強磁性体が示すダンピングファクタαの値の範囲（０．１乃至０．００１のオーダ）では、ダンピングファクタαの値を増加すると、線幅が広くなる傾向にある。つまり、グラフの形状において、特に、線幅はダンピングファクタαの値に強く依存すると結論付けられる。このことは、試料Ｆを用いたときに観測されるＭＯ信号Θ（δＭx、δＭy、δＭzに相当する量）の磁場依存性を解析することで、試料Ｆのダンピングファクタαの値を決定できることを示唆するものである。
【００９５】
また、連続して出力されるパルス本数ｎを「５０」として計算したδＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性およびτ依存性を図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）に示す。図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）のグラフにおいて、横軸は、有効内部磁場Ｈeffを示し、縦軸は、δＭx、δＭy、δＭzのそれぞれの大きさを任意単位で示している。ここでは、繰返し周波数νLの値を５［ＧＨｚ］として、前記の２つの条件のうちダンピングファクタα＝０．０１だけを課して、緩和時間τの値を１０ｐｓ、３０ｐｓ、１００ｐｓ、１ｎｓ、及び、∞としたときのそれぞれのケースについて計算した。
【００９６】
図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）に示すように、δＭx、δＭy、δＭzの磁場依存性を示すグラフは、それぞれ特徴的な形状をしていることが分かる。この結果から、磁気性金属のように緩和時間τがレーザ光の繰返し周期（２００ｐｓ）よりも十分長いときには、ＭＯ信号Θはほとんどτに依存しない。しかし、強磁性半導体など緩和時間τがレーザ光の繰り返し周波数と同等、もしくは短いときには、ＭＯ信号Θは緩和時間τに依存することがわかる。
【００９７】
したがって、強磁性金属などのようにτが十分長い試料を測定対象とする場合には、緩和時間τの寄与を無視することができるが、強磁性半導体などのように緩和時間τがサブナノ秒である試料を測定対象とする場合には、緩和時間τの長さを考慮する必要がある。ただし、後者の場合には、超高速時間分解磁気光学分光測定法を用いて緩和時間τの値を直接決定することで、実験精度を向上することが考えられる。
【００９８】
（３）磁気光学特性の測定方法の全体の流れ
次に、磁気光学特性の測定方法の全体の流れについて、フローチャートとして図１４を参照（適宜図１参照）して説明する。
【００９９】
磁気光学特性測定装置１は、制御装置６によって、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動が、連続した複数パルスに共鳴するときの外部磁場を共鳴条件として探索する共鳴条件探索段階（ステップＳ１〜Ｓ７）と、共鳴条件が探索されたときに、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを求める異方性磁場算出段階（ステップＳ８）とを実行する。
【０１００】
この共鳴条件探索段階は、所定条件が成立するまで繰り返す一連の処理として、外部磁場印加手段４による処理（ステップＳ１）と、レーザ光源２による処理（ステップＳ２）と、偏光検出器５による処理（ステップＳ３）と、制御装置６による処理（ステップＳ４、Ｓ５）とを協働して実行する。すなわち、ステップＳ１にて、外部磁場印加手段４は、予め定めた順番で外部磁場Ｈextを変化させて試料Ｆに印加する。ステップＳ２にて、レーザ光源２は、連続した複数パルスのレーザ光を試料Ｆに照射する。ステップＳ３にて、偏光検出器５は、レーザ光を試料Ｆが反射した反射光が示す磁気光学効果（偏光成分）を検出する。
【０１０１】
また、ステップＳ４にて、制御装置６は、偏光検出器５で検出した偏光成分を、ＭＯ信号Θとして取得する。そして、ステップＳ５にて、制御装置６は、現在の外部磁場Ｈextの値で試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定することで所定条件が成立したか否かを判定する処理を実行する。ＭＯ信号Θの絶対値が最小となっていない場合に（ステップＳ５：Ｎｏ）、制御装置６は、外部磁場Ｈextを変化させる処理（ステップＳ６、Ｓ１）を実行する。一方、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となった場合に（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、制御装置６は、外部磁場Ｈextの値を共鳴条件として求める処理（ステップＳ７）を実行する。
【０１０２】
異方性磁場算出段階（ステップＳ８）は、制御装置６によって、共鳴条件が取得されたときに、この共鳴条件において最小のＭＯ信号Θの絶対値を検出したときの外部磁場の大きさＨextと、繰り返し周期ｔrepとの各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを求める。
【０１０３】
（４）磁気光学特性測定装置の制御装置の構成例
次に、磁気光学特性測定装置１の制御装置６の構成例について図１５を参照して（適宜図1参照）説明する。
ここでは、制御装置６は、レーザ光源制御部６１と、外部磁場制御部６２と、ＭＯ信号取得部６３と、ＭＯ信号蓄積部６４と、ＭＯ信号判定部６５と、異方性磁場算出部６６と、フィッティングデータ記憶部６７と、減衰パラメータ算出部６８とを備えることとした。
【０１０４】
レーザ光源制御部６１は、レーザ光源２を制御して、パルスレーザのオン／オフを切り替えるものである。
【０１０５】
外部磁場制御部６２は、外部磁場印加手段４を制御して、磁場のオン／オフを切り替えたり、所定の外部磁場Ｈextの値の磁場を試料Ｆに印加させたりするものである。
外部磁場制御部６２は、予め定めた順番で外部磁場第Ｈext変化させる。
そして、ＭＯ信号取得部６３は、偏光検出器５からＭＯ信号Θを取得し、ＭＯ信号蓄積部６４に格納する。ＭＯ信号蓄積部６４は、例えば、一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、ＭＯ信号蓄積部６４は、外部磁場制御部６２から外部磁場Ｈextの値も記憶する。
【０１０６】
ＭＯ信号判定部６５は、レーザ光源制御部６１及び外部磁場制御部６２を統括すると共に、ＭＯ信号蓄積部６４に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、各データを比較することにより、現在の試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定するものである。このＭＯ信号判定部６５は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となったと判定したときに、現在の外部磁場Ｈextの値を異方性磁場算出部６６に出力する。また、ＭＯ信号判定部６５は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小ではないと判定したときに、レーザ光源制御部６１及び外部磁場制御部６２と協働して、前記したステップＳ６から共鳴条件探索段階を続行する。
【０１０７】
異方性磁場算出部６６は、レーザ繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）の値に基づいて、前記した式（８）により、共鳴が起こる磁場Ｈresを算出する。
また、異方性磁場算出部６６は、算出した共鳴が起こる磁場Ｈresと、ＭＯ信号判定部６５から共鳴条件として取得した外部磁場Ｈextの値とを用いて、前記した式（１２）により、有効内部磁場Ｈeffの値を決定する。
そして、異方性磁場算出部６６は、決定した有効内部磁場Ｈeffの値と、ＭＯ信号蓄積部６４から取得した外部磁場Ｈextの情報とを用いて、前記した式（１３）により、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを算出する。
異方性磁場算出部６６は、算出した異方性磁場Ｈaniを図示しないディスプレイに表示すると共に、決定した有効内部磁場Ｈeffの値を減衰パラメータ算出部６８に出力する。
【０１０８】
フィッティングデータ記憶部６７は、ＬＬＧ方程式による理論計算から予め求められた、ＭＯ信号の磁場依存性及びα依存性のデータ（以下、フィッティングデータという）を記憶するものであって、例えば一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、有効内部磁場Ｈeffに対してＭＯ信号Θの絶対値が最小となるときの磁場の範囲に対して最適なダンピングファクタαの値を算出することが可能であれば、フィッティングデータは、予め変換テーブルとして備えるものでもよいし、演算に用いる所定の関数等の情報でもよい。
【０１０９】
減衰パラメータ算出部６８は、異方性磁場算出部６６から有効内部磁場Ｈeffの値を取得し、ＭＯ信号蓄積部６４に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、フィッティングデータ記憶部６７に記憶されたフィッティングデータとフィッテイングすることで、試料の磁気特性として、試料固有のダンピングファクタαの値を算出するものである。
【０１１０】
つづいて、本発明の第２の実施形態乃至第４の実施形態の磁気光学特性測定装置について、図１６乃至図１８を参照して説明する。なお、各図において第１の実施形態の磁気光学特性測定装置１と同様な機能及び作用を有する部位については、同様な符号を付し、場合によっては説明を省略することがある。
【０１１１】
（第２の実施形態）
図１６に示すように、第２の実施形態の磁気光学特性測定装置１Ａは、外部磁場印加手段４Ａが試料Ｆに対して面直磁場を印加できるように配設されている点を除いて、図１に示した磁気光学特性測定装置１と同じ構成である。これにより、有効内部磁場Ｈeffの方向が面直方向である試料Ｆも測定対象とすることができる。
なお、外部磁場印加手段が、面直磁場を印加するモードと、面内磁場を印加するモードに対応するように、両方の構成を備えるか、または、両方のモードを兼ねるように配置を切り替えることができるように構成するようにしてもよい。
【０１１２】
（第３の実施形態）
図１７に示すように、第３の実施形態の磁気光学特性測定装置１Ｂは、レーザ光源２からの光パルス列のレーザ光が試料Ｆを透過した透過光をそれぞれ偏光検出器５で受光してその偏光成分を検出できるように配設されると共に、試料Ｆを固定する基板１２Ｂと、試料Ｆの裏面とにより凹部１３が形成されている点を除いて、図１に示した磁気光学特性測定装置１と同じ構成である。
【０１１３】
この場合、ＭＯ信号は、カー効果の代わりに、ファラデー効果を介して観測されるが、ＭＯ信号は、第１の実施形態と同様に定義することができる。また、凹部１３のサイズや形状は任意であり、基板１２Ｂの貫通孔である必要も無い。例えば、中心からビーム透過可能な薄さの領域を残して基板材料を剥離してもよい。なお、基板１２Ｂは、薄い膜状の試料Ｆを表面および裏面から挟み込んで固定するようにしてもよい。
【０１１４】
（第４の実施形態）
図１８に示すように、第４の実施形態の磁気光学特性測定装置１Ｃは、偏光成分検出手段５Ｃを備えている点を除いて、図１に示した磁気光学特性測定装置１と同じ構成である。この偏光成分検出手段５Ｃは、図１に示す偏光検出器５に相当するものであって、ＰＤ５１と、光弾性変調器５２と、ロックインアンプ５３とを備えている。
【０１１５】
ＰＤ５１は、光量検出手段であって、例えば、一般的なフォトダイオードから構成される。ＰＤ５１は、試料Ｆで反射した反射光の強度を検出する。検出した反射光の光強度信号は、ロックインアンプ５３に入力される。
【０１１６】
光弾性変調器５２は、例えば、レーザ光源２と試料Ｆとの間に配設される。光弾性変調器５２は、レーザ光源２からの光パルス列のレーザ光を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光に切り替えて集光レンズ１０を介して試料Ｆに向けて出力する。これにより、出力ビームは円二色性を示すビームとなる。
【０１１７】
また、光弾性変調器５２は、この変調周波数の信号を参照信号としてロックインアンプ５３に入力する。なお、この変調周波数は、例えば、５０［ｋＨｚ］とすることができる。また、光弾性変調器５２の配置は、図１８に示したものに限定されず、レーザ光源２から試料Ｆに照射されるパルス光の光路の途中に配置されていればよい。
【０１１８】
ロックインアンプ５３は、光弾性変調器５２から入力する参照信号を用いて、ＰＤ５１が検出する光強度信号から偏光成分を測定した結果をＭＯ信号として制御装置６に出力するものである。この場合、ＭＯ信号は、カー効果の代わりに、円二色性を介して観測されるが、ＭＯ信号は、第１の実施形態と同様に定義することができる。
この磁気光学特性測定装置１Ｃによれば、偏光成分検出手段５Ｃを安価なＰＤ５１を用いて構成することができる。
【０１１９】
以上、各実施形態についての磁気光学測定装置について説明したが、本発明の磁気光学測定装置はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲で様々に実施することができる。例えば、第４の実施形態のように偏光成分検出手段５Ｃを備えている磁気光学特性測定装置において、面直磁場を印加するように構成したり、試料Ｆを透過した透過光の偏光成分を検出したりするように構成することもできる。
【符号の説明】
【０１２０】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ    磁気光学特性測定装置
２    レーザ光源（モードロックレーザ）
３    光学系
４、４Ａ    外部磁場印加手段（電磁石）
５    偏光検出器（偏光成分検出手段）
５Ｃ    偏光成分検出手段
５１    ＰＤ（光量検出手段）
５２    光弾性変調器
５３    ロックインアンプ
６    制御装置
６１    レーザ光源制御部
６２    外部磁場制御部
６３    ＭＯ信号取得部
６４    ＭＯ信号蓄積部
６５    ＭＯ信号判定部
６６    異方性磁場算出部
６７    フィッティングデータ記憶部
６８    減衰パラメータ算出部
１０    集光レンズ（光学レンズ）
１２、１２Ｂ    基板
Ｆ    試料
【図１】
2011039008.tif 000012
【図２】
2011039008.tif 000013
【図３】
2011039008.tif 000014
【図４】
2011039008.tif 000015
【図５】
2011039008.tif 000016
【図６】
2011039008.tif 000017
【図７】
2011039008.tif 000018
【図８】
2011039008.tif 000019
【図９】
2011039008.tif 000020
【図１０】
2011039008.tif 000021
【図１１】
2011039008.tif 000022
【図１２】
2011039008.tif 000023
【図１３】
2011039008.tif 000024
【図１４】
2011039008.tif 000025
【図１５】
2011039008.tif 000026
【図１６】
2011039008.tif 000027
【図１７】
2011039008.tif 000028
【図１８】
2011039008.tif 000029