Flygfoton av magnetiska landskap

Transkript

1 Flygfoton av magnetiska landskap

2 ...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.

3 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

4 Vad är magnetiska domäner?

5 Domäner minimerar totala energin stort ströfält hög energi inget ströfält lägre energi N N S S S N

6 Energier i en ferromagnet utbytesenergi anisotropi (uniaxiell) externt fält ströfält

7 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

8 Domänernas inbördes riktningar avgör om makroskopiska magnetiseringen M=0. m 1 m 1 m 4 m 3 m 2 m 4 m 3 m 2 M=m 1 +m 2 +m 3 +m 4 =0 M=m 1 +m 2 +m 3 +m 4 =M s

9 Domänerna påverkas av yttre magnetfält Mönstret ändras genom 1) tillväxt av domäner med rätt riktning och 2) rotation av magnetiseringen. (240 nm permalloy Fe 20 Ni 80 ) Bilder: R. Schäfer

10 Domänernas betydelse Fyra exempel på tillämpningar som påverkas i olika hög utsträckning av domänstrukturen

11 Domänernas betydelse i olika tillämpningar Permanentmagneter: domänernas bidrag till totala energin är av underordnad betydelse N N N S S S

12 Informationslagring: data sparas i domäner domäner! (Bild: Eriksson, Andersson, Karis, Svedlindh, Kosmos 2001, s )

13 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.

14 Utseendet påverkas av strukturen Bilder: R. Schäfer

15 Magnetooptiska effekter Magnetfältet i vissa material påverkar det elektriska fältet hos planpolariserat synligt ljus jämför Lorentzkraft mellan laddning och magnetfält.

16 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)

17 Kerr- och Faradayeffekterna E: ljusets elektriska fältvektor ( före ) D: dielektriska förflyttningsvektorn ( efter ) ε: dielektricitetstensorn Q: komplex materialkonstant, ~M s

18 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

19 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

20 Avbildningsteknik - mikroskopi

21 Mikroskop för reflekterande prover: vertikalbelysning Bild: MIL-HDBK-141Optical Design, från

22 Polarisationsmikroskop (exempel) CCD-kamera flyttbar bländare analysator kompensator (λ/4-platta) ljus stråldelare 550 nm filter polarisator 50x 0.75 prov objektiv 0.3 mm

23 Kerrmikroskop: lägg till magnetfält Polär geometri: bländare centrerad, vinkelrätt infall ljus 50x 0.75 H ext

24 Kerrmikroskop: lägg till magnetfält Longitudinell: bländare förskjuten, snett infall ljus 50x 0.75 H ext

25 Longitudinell avbildning: snett infall ljuskälla förskjuten 0,3 mm bländare väljer ljus från ena sidan objektivet infallsvinkel longitudinellt H ext

26 Transversell avbildning: snett infall ljuskälla förskjuten 0,3 mm bländare väljer ljus från ena sidan objektivet infallsvinkel transversellt H ext

27 Longitudinell MOKE polarisator analysator opolariserat ljus planpolariserat ljus polarisator Bild efter R. Schäfer

28 Kombinera geometrier för mer fullständig bild av strukturen Exempel: (100)-orienterad FeSi-plåt transversell longitudinell Bilder: R. Schäfer Kontrasten beror på vinkeln mellan E och m

29 Att separera olika bidrag NdFeB z y x bara m z bara m x och m y Bilder: R. Schäfer

30 Dynamikstudier Variera yttre fält och samordna med bildupptagningen Enkelt exempel: 100 nm tjockt järnskikt i ett yttre magnetfält av varierande styrka (80 100µm yta)

31 Andra tillämpningar 1: hysteresmätningar Samband mellan magnetisering och externt fält

32 Andra tillämpningar 2: magnetooptisk datalagring Dataavläsning använder Kerreffekten med polariserad laser. Motsatta magnetiseringsriktningar ger rotation åt olika håll binär information. Bilder:

33 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