Kerri efekt

Magnetoptiline Kerri efekt (MOKE) on üks mitmest magnetoptilisest efektist (teised magnetoptilised efektid on Faraday efekt, Voigti efekt ja Zeemani efekt). Kerri efekt seisneb valguse teatud omaduste muutumises magneetunud pinnalt peegeldudes. Seda efekti kasutatakse materjaliteaduses pindmiste materjalikihtide magneetumuse uurimiseks, seda meetodit nimetatakse Kerri mikroskoopiaks.

Ajalugu ja sissejuhatus

Magnetoptilised efektid ilmnevad magnetmaterjalides nende optilise anisotroopia tõttu. Kerri efekti põhjustav anisotroopia tekib materjali pindmiste domeenide magneetumuse tõttu, mida on võimalik välise magnetväljaga mõjutada. Optiline anisotroopia muudab lineaarselt polariseeritud valguse polarisatsioonitasandit magnetiliselt materjalilt peegeldumise käigus. See nähtus on nime saanud John Kerri järgi, kes märkas sellist efekti esimesena 1887. aastal . Kerri efekt on analoogne Faraday efektiga, mille korral pöördub lineaarselt polariseeritud valguse polarisatsioonitasand magnetvälja asetatud läbipaistvast materjalist läbiminekul, mida jälgis Michael Faraday 1845. aastal.
MOKE on võrdeline materjali magneetumusega ning kõige tundlikum materjali pindmiste kihtide suhtes, tüüpiliselt 10–20 nm enamiku metallide puhul. Nimetatud asjaolud teevad MOKE rakendatavaks materjalide pinnakihtide magneetumuse uurimiseks . Sellisel viisil materjalipindade uurimist nimetatakse Kerri mikroskoopiaks. Seda on laialdaselt kasutatud magnetmaterjalide uurimiseks, eriti magnetiliste tahkiskilede valdkonnas. MOKE on aluseks ka tööstuslikult toodetud magnetoptilisele mäluseadmele.

Põhimõte

MOKE füüsikaline selgitus makroskoopilisel tasemel antakse dielektrilise läbitavuse tensori kaudu. Magnetvälja olemasolu (kas materjal asub välises väljas või on tegu ferromagneetikuga) võib muuta dielektrilise läbitavuse tensorit ε, muutes selle anisotroopseks 3x3 maatriksiks, mis tähendab, et maatriksi mittediagonaalelemendid ei ole nullid. Lineaarselt polariseeritud valgust võib vaadelda kui vasaku- ja paremakäeliselt ringpolariseeritud valguste superpositsiooni. Erinevates suundades polariseeritud valguskiirte jaoks on magnetväljas asuva materjali murdumisnäitaja erinev ning seetõttu peegelduvad need valguskiire komponendid materjalilt erinevalt, põhjustades polarisatsioonitasandi pöördumise peegeldumisel. Kui valguse neeldumist materjalis ei ole vaja arvestada, siis on ε hermiitiline maatriks. Sel juhul on ε kõige üldisem kuju järgmine:
.
Mikroskoopiliselt on võimalik Kerri efekti selgitada valguse elektrivälja ja magneetuvuse vastasmõjust lähtuvalt, mis leiab aset spinn-orbitaalse vastasmõju tulemusel. Kõige piltlikum on samas lähtuda klassikalisest elektrodünaamikast. Nimelt mõjub valguse poolt liikuma pandud elektronidele aines Lorentzi jõud, sest aine asub magnetväljas. Lorentzi jõu mõjul liikuma hakanud elektronid tekitavad omakorda magnetvälja, mis mõjutab valguse erinevaid polarisatsioonikomponente erinevalt. Klassikaline füüsikaline selgitus on analoogne Faraday efekti selgitusega.

Geomeetriad

Kerri efekti saab veel iseloomustada, lähtudes materjali magneetuvuse suunast pinna ja valguse langemistasandi suhtes.

Polaar-MOKE

Kui magneetuvuse vektor on risti peegeldava pinnaga ning paralleelne valguse langemistasandiga, siis nimetatakse efekti polaarseks Kerri efektiks. Selle konfiguratsiooni korral muutub lineaarselt polariseeritud valgus peegeldumisel elliptiliseks.

Pikisuunas MOKE

Pikisuunas efekti korral on magneetuvuse vektor paralleelne nii peegeldava pinnaga kui valguse langemistasandiga. Sarnaselt polaarse konfiguratsiooniga muutub siin valguse polarisatsioon.

Ristsuunas MOKE

Juhul, kui magneetuvus on risti valguse langemistasandiga ja paralleelne pinnaga, siis öeldakse, et tegu on ristsuunas konfiguratsiooniga. Sel juhul ei muutu peegeldumisel valguse polarisatsioon, vaid muutub valguse intensiivsus.

Mikroskoopia

Kerri mikroskoop töötab MOKE põhimõttel ning selle abil on võimalik uurida magnetmaterjali pinna erinevate osade magneetuvust. Kerri mikroskoobis läbib valgus esmalt polarisaatori, siis peegeldub uuritavalt materjalilt ning seejärel läbib analüsaatori enne, kui läheb tavalisse optilisse mikroskoopi. Analüsaator muudab polarisatsioonimuutuse valguse intensiivsuse muutuseks, mida saab omakorda nähtavaks teha.

Magnetsalvestus

Magnetptiline mäluseade ehk MO mäluseade jõudis avalikkuse ette 1985. aastal. MO diskettidele kirjutati laseri ja elektromagneti abil. Laser kuumutas materjali üle tema Curie temperatuuri ning seejärel kirjutati elektromagneti abil materjalitükk bitiks väärtusega 1 või 0. Oleku lugemiseks lasti valgusel bitilt peegelduda ning Kerri efekti tõttu oli selge erinevus peegeldunud valguses biti olekute 1 ja 0 vahel.

Pinna- ja materjalianalüüs

On näidatud, et pinnaplasmonite polaritonid (PPP-d) võimendavad olulisel määral Kerri efekti aines teatud spetsiifiliste pinnageomeetriate korral. Kuivõrd Kerri efektis jälgitav polarisatsioonitasandi pöördumise suund sõltub PPP-de liikumissuunast, siis on Kerri efekt kasulik vahend plasmooniliste nanostruktuuride uurimiseks .

Kuna Kerri efekt ilmneb materjali optilise anisotroopia tõttu, siis Kerri efekti jälgides on võimalik teha ka järeldusi materjalide anisotroopsuse kohta. Näiteks on uuritud Kerri efekti õhukeste nanolaminaatide struktuuris [Co/TiO₂]ₙ (2–4 nm paksused koobalti ja titaanoksiidi vahelduvad kihid) ning järeldatud, et selline struktuur käitub kui optiliselt anisotroopne kristall .

Kuna mõnedes spinntroonika või magnetoptilise sensoorika rakendustes on optiline anisotroopia soovitud efekt, siis on oluline materjali valmistades suuta seda anisotroopiat kontrollida (et tagada selle olemasolu ning vajalik määr) ning MOKE abil on võimalik võrrelda materjali anisotroopsuse sõltuvust materjali valmistusviisidest. Konkreetselt näiteks MgO peale kasvatatud Co kihtide optilise anisotroopia ulatuse ja määra sõltuvust kasvatusaluse pöörlemiskiirusest ja kasvatustemperatuurist on MOKE abil edukalt võrreldud .