大学院物理システム工学専攻 2004 年度 固体材料物性第 13 回...
DESCRIPTION
大学院物理システム工学専攻 2004 年度 固体材料物性第 13 回 -磁気光学効果の量子論-. 佐藤勝昭 ナノ未来科学研究拠点. 磁気光学効果の電子論. 古典電子論. 電気感受率と誘電率. サイクロトロン角振動数. 磁界ゼロの場合:ローレンツの式. 磁界がなく,束縛項もない場合: ドルーデの式. 磁界がかかっており束縛項がない場合:マグネトプラズマ共鳴とホール効果. 0. 磁界がかかっていて,束縛がなく, 散乱のない場合. Fe の磁気光学効果は 古典電子論で説明できるか?. 比誘電率の非対角成分の大きさ:最大 5 の程度 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
大学院物理システム工学専攻大学院物理システム工学専攻 20042004 年度年度固体材料物性第固体材料物性第 1313 回回
-磁気光学効果の量子論--磁気光学効果の量子論-
佐藤勝昭佐藤勝昭ナノ未来科学研究拠点ナノ未来科学研究拠点
磁気光学効果の電子論磁気光学効果の電子論
古典電子論古典電子論
B
t
uEu
u
dt
udm
d
dqm
dt
dm 2
02
2
)00( BB
tiexp 0EE )exp(0 tiuu
BuEuuu iqmimm 20
2
z
y
qEzim
qEyimqBx
qEqBm
20
2
20
2
x20
2
i
yixi
電気感受率と誘電率電気感受率と誘電率
20
20
2
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
1
im
nq
i
i
m
nq
i
i
m
nq
zz
c
cxy
c
xx
mqBc
サイクロトロン角振動数
20
20
2
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
11
1
im
nq
i
i
m
nq
i
i
m
nq
zz
c
cxy
c
xx
磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式
0
11
20
20
2
xy
zzxxim
nq
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
)()(
)(1)(
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式
0
)(
11
0
2
xy
zzxx im
nq
)()(
11)(
220
2
220
2
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がかかっており束縛項がない場合磁界がかかっており束縛項がない場合マグネトプラズマ共鳴とホール効果 マグネトプラズマ共鳴とホール効果
i
i
m
nq
im
nq
i
ii
m
nq
zz
c
cxy
cxx
2
22
2
22
2
0
2
22
2
20
22
2
1
1)(
m
nq
m
nq
m
nq
zz
c
cxy
ccxx
0
BRHxy
zzxx
01
1~~
磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合
2
2
22
2
22
2
1
1
pzz
c
cpxy
c
pxx
i
c
pc
c
pxyxx iN
2
22
22 11
FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか古典電子論で説明できるか
比誘電率の非対角成分の大きさ最大比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度
キャリア密度 キャリア密度 と仮定 と仮定 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要という非現実的な磁界が必要
スピン軌道相互作用によって初めて説明可能スピン軌道相互作用によって初めて説明可能
22220
20
2
c
cxy
i
i
m
nq
eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010
磁気光学効果の量子論
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁気光学効果の電子論磁気光学効果の電子論
古典電子論古典電子論
B
t
uEu
u
dt
udm
d
dqm
dt
dm 2
02
2
)00( BB
tiexp 0EE )exp(0 tiuu
BuEuuu iqmimm 20
2
z
y
qEzim
qEyimqBx
qEqBm
20
2
20
2
x20
2
i
yixi
電気感受率と誘電率電気感受率と誘電率
20
20
2
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
1
im
nq
i
i
m
nq
i
i
m
nq
zz
c
cxy
c
xx
mqBc
サイクロトロン角振動数
20
20
2
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
11
1
im
nq
i
i
m
nq
i
i
m
nq
zz
c
cxy
c
xx
磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式
0
11
20
20
2
xy
zzxxim
nq
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
)()(
)(1)(
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式
0
)(
11
0
2
xy
zzxx im
nq
)()(
11)(
220
2
220
2
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がかかっており束縛項がない場合磁界がかかっており束縛項がない場合マグネトプラズマ共鳴とホール効果 マグネトプラズマ共鳴とホール効果
i
i
m
nq
im
nq
i
ii
m
nq
zz
c
cxy
cxx
2
22
2
22
2
0
2
22
2
20
22
2
1
1)(
m
nq
m
nq
m
nq
zz
c
cxy
ccxx
0
BRHxy
zzxx
01
1~~
磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合
2
2
22
2
22
2
1
1
pzz
c
cpxy
c
pxx
i
c
pc
c
pxyxx iN
2
22
22 11
FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか古典電子論で説明できるか
比誘電率の非対角成分の大きさ最大比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度
キャリア密度 キャリア密度 と仮定 と仮定 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要という非現実的な磁界が必要
スピン軌道相互作用によって初めて説明可能スピン軌道相互作用によって初めて説明可能
22220
20
2
c
cxy
i
i
m
nq
eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010
磁気光学効果の量子論
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
古典電子論古典電子論
B
t
uEu
u
dt
udm
d
dqm
dt
dm 2
02
2
)00( BB
tiexp 0EE )exp(0 tiuu
BuEuuu iqmimm 20
2
z
y
qEzim
qEyimqBx
qEqBm
20
2
20
2
x20
2
i
yixi
電気感受率と誘電率電気感受率と誘電率
20
20
2
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
1
im
nq
i
i
m
nq
i
i
m
nq
zz
c
cxy
c
xx
mqBc
サイクロトロン角振動数
20
20
2
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
11
1
im
nq
i
i
m
nq
i
i
m
nq
zz
c
cxy
c
xx
磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式
0
11
20
20
2
xy
zzxxim
nq
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
)()(
)(1)(
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式
0
)(
11
0
2
xy
zzxx im
nq
)()(
11)(
220
2
220
2
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がかかっており束縛項がない場合磁界がかかっており束縛項がない場合マグネトプラズマ共鳴とホール効果 マグネトプラズマ共鳴とホール効果
i
i
m
nq
im
nq
i
ii
m
nq
zz
c
cxy
cxx
2
22
2
22
2
0
2
22
2
20
22
2
1
1)(
m
nq
m
nq
m
nq
zz
c
cxy
ccxx
0
BRHxy
zzxx
01
1~~
磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合
2
2
22
2
22
2
1
1
pzz
c
cpxy
c
pxx
i
c
pc
c
pxyxx iN
2
22
22 11
FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか古典電子論で説明できるか
比誘電率の非対角成分の大きさ最大比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度
キャリア密度 キャリア密度 と仮定 と仮定 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要という非現実的な磁界が必要
スピン軌道相互作用によって初めて説明可能スピン軌道相互作用によって初めて説明可能
22220
20
2
c
cxy
i
i
m
nq
eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010
磁気光学効果の量子論
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
電気感受率と誘電率電気感受率と誘電率
20
20
2
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
1
im
nq
i
i
m
nq
i
i
m
nq
zz
c
cxy
c
xx
mqBc
サイクロトロン角振動数
20
20
2
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
11
1
im
nq
i
i
m
nq
i
i
m
nq
zz
c
cxy
c
xx
磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式
0
11
20
20
2
xy
zzxxim
nq
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
)()(
)(1)(
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式
0
)(
11
0
2
xy
zzxx im
nq
)()(
11)(
220
2
220
2
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がかかっており束縛項がない場合磁界がかかっており束縛項がない場合マグネトプラズマ共鳴とホール効果 マグネトプラズマ共鳴とホール効果
i
i
m
nq
im
nq
i
ii
m
nq
zz
c
cxy
cxx
2
22
2
22
2
0
2
22
2
20
22
2
1
1)(
m
nq
m
nq
m
nq
zz
c
cxy
ccxx
0
BRHxy
zzxx
01
1~~
磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合
2
2
22
2
22
2
1
1
pzz
c
cpxy
c
pxx
i
c
pc
c
pxyxx iN
2
22
22 11
FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか古典電子論で説明できるか
比誘電率の非対角成分の大きさ最大比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度
キャリア密度 キャリア密度 と仮定 と仮定 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要という非現実的な磁界が必要
スピン軌道相互作用によって初めて説明可能スピン軌道相互作用によって初めて説明可能
22220
20
2
c
cxy
i
i
m
nq
eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010
磁気光学効果の量子論
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式
0
11
20
20
2
xy
zzxxim
nq
22220
20
2
22220
2
20
2
0
2
)()(
)(1)(
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式
0
)(
11
0
2
xy
zzxx im
nq
)()(
11)(
220
2
220
2
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がかかっており束縛項がない場合磁界がかかっており束縛項がない場合マグネトプラズマ共鳴とホール効果 マグネトプラズマ共鳴とホール効果
i
i
m
nq
im
nq
i
ii
m
nq
zz
c
cxy
cxx
2
22
2
22
2
0
2
22
2
20
22
2
1
1)(
m
nq
m
nq
m
nq
zz
c
cxy
ccxx
0
BRHxy
zzxx
01
1~~
磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合
2
2
22
2
22
2
1
1
pzz
c
cpxy
c
pxx
i
c
pc
c
pxyxx iN
2
22
22 11
FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか古典電子論で説明できるか
比誘電率の非対角成分の大きさ最大比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度
キャリア密度 キャリア密度 と仮定 と仮定 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要という非現実的な磁界が必要
スピン軌道相互作用によって初めて説明可能スピン軌道相互作用によって初めて説明可能
22220
20
2
c
cxy
i
i
m
nq
eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010
磁気光学効果の量子論
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式
0
)(
11
0
2
xy
zzxx im
nq
)()(
11)(
220
2
220
2
m
nq
m
nq
xx
xx
磁界がかかっており束縛項がない場合磁界がかかっており束縛項がない場合マグネトプラズマ共鳴とホール効果 マグネトプラズマ共鳴とホール効果
i
i
m
nq
im
nq
i
ii
m
nq
zz
c
cxy
cxx
2
22
2
22
2
0
2
22
2
20
22
2
1
1)(
m
nq
m
nq
m
nq
zz
c
cxy
ccxx
0
BRHxy
zzxx
01
1~~
磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合
2
2
22
2
22
2
1
1
pzz
c
cpxy
c
pxx
i
c
pc
c
pxyxx iN
2
22
22 11
FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか古典電子論で説明できるか
比誘電率の非対角成分の大きさ最大比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度
キャリア密度 キャリア密度 と仮定 と仮定 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要という非現実的な磁界が必要
スピン軌道相互作用によって初めて説明可能スピン軌道相互作用によって初めて説明可能
22220
20
2
c
cxy
i
i
m
nq
eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010
磁気光学効果の量子論
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁界がかかっており束縛項がない場合磁界がかかっており束縛項がない場合マグネトプラズマ共鳴とホール効果 マグネトプラズマ共鳴とホール効果
i
i
m
nq
im
nq
i
ii
m
nq
zz
c
cxy
cxx
2
22
2
22
2
0
2
22
2
20
22
2
1
1)(
m
nq
m
nq
m
nq
zz
c
cxy
ccxx
0
BRHxy
zzxx
01
1~~
磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合
2
2
22
2
22
2
1
1
pzz
c
cpxy
c
pxx
i
c
pc
c
pxyxx iN
2
22
22 11
FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか古典電子論で説明できるか
比誘電率の非対角成分の大きさ最大比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度
キャリア密度 キャリア密度 と仮定 と仮定 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要という非現実的な磁界が必要
スピン軌道相互作用によって初めて説明可能スピン軌道相互作用によって初めて説明可能
22220
20
2
c
cxy
i
i
m
nq
eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010
磁気光学効果の量子論
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合
2
2
22
2
22
2
1
1
pzz
c
cpxy
c
pxx
i
c
pc
c
pxyxx iN
2
22
22 11
FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか古典電子論で説明できるか
比誘電率の非対角成分の大きさ最大比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度
キャリア密度 キャリア密度 と仮定 と仮定 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要という非現実的な磁界が必要
スピン軌道相互作用によって初めて説明可能スピン軌道相互作用によって初めて説明可能
22220
20
2
c
cxy
i
i
m
nq
eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010
磁気光学効果の量子論
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか古典電子論で説明できるか
比誘電率の非対角成分の大きさ最大比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度
キャリア密度 キャリア密度 と仮定 と仮定 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要という非現実的な磁界が必要
スピン軌道相互作用によって初めて説明可能スピン軌道相互作用によって初めて説明可能
22220
20
2
c
cxy
i
i
m
nq
eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010
磁気光学効果の量子論
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
電気分極と摂動論 電気分極と摂動論
電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」
「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う
「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)
無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式
H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))
光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))
摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))
(422)
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式
tHHtHtt
i r r r
0
この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開
j
jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると
(423)
(424)
00
)()exp()()exp()(exp)r(
)(
jjjj
jjj
j rHtitctirHtidt
tdci
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)
左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると
00
)()exp()(
)exp()(exp)r()(
jjjj
jjj
j
rHtitc
tirHtidt
tdci
(425) titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj
また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)
式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc
jj((tt)) が求められる が求められる
titjetiHjdt
tdci jj
j00 exp)(0exp0
)( Er
0
00
0
00
00 01
)(exp1)(exp10
exp)exp(0)(
j
j
j
jx
jt
xxj
titixjeE
dtticctiExjeitc
(426)
この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる
jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算
(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))
)(110
exp)(0exp)(000
)(
00
2
2
00
tExj
Nq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
xj jj
jjxjjxj
x
0)()( xxxP
00
2
0
2 110
jjjxx xj
Nq
(427)
(428)
0
00
0
00
)(exp1)(exp10)(
j
j
j
jxxj
titixjeEtc
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)
有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする
j jxj
j jjxx
if
m
Ne
iixjm
m
Nq
2200
2
00
2
0
2
1
110)(
誘電率に変換誘電率に変換
(433)
(431)
2
0 02 xjmf jxj 振動子強度
jj
joxjxx
if
m
Ne
2222220
222
0
2
4
21)(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された
ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値
j j
y
j
y
jjxj
jjxjjxj
x
tiEtiEjyxjNq
cctitcxjNq
titcjxtitcxjxNq
dxxNqtNqxP
0
0
0
02
0
00
)exp()exp(100
exp)(0
exp)(0exp)(000
)(
j j
xy
xjjyNq
0
2 00)(
および
j j
xy
yjjxNq
0
2 00)(
j jj
xyxyxy
yjjxxjjyNq
00
2 0000
22
)()()(
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)
という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx
j jjxy
jxjx
i
Nq22
0
22
0
2 00
2)(
20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率
円偏光についての振動子強度
2
0 0 jxmf
jjo
j j
jjxyxy
i
ff
m
Nqi
220
00
0
2
2)(
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁気光学効果の 量子論磁気光学効果の 量子論 磁化の存在rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂
左右円偏光の選択則には影響しない左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件大きな磁気光学効果の条件
遷移強度の強い許容遷移が存在すること遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含むスピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない磁化には必ずしも比例しない
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
電子分極のミクロな扱い電子分極のミクロな扱い
= +++ +
+ + -
-
無摂動系の波動関数
電界の摂動を受けた波動関数
E
s-電子的 p-電子的
無摂動系の固有関数で展開
= + +
摂動を受けた波動関数
2220
2
20
2210
2
10
0
2
220
2
00
2
02012
10
2
xxNq
xjNq
jjjxx
|1gt
|0gt
|2gt
lt0|x|1gt lt1|x|0gt
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
s-like
p-=px-ipy
p+=px+ipy
px-orbitalpy-orbital
光の電界 1
0
20
1 0-
20-
10 は 20 より光エネルギーに近いので左回りの状態の方が右回り状態より多く基底状態に取り込まれる
2220
2
202210
2
10
2 2010
2)(
xx
i
Nqxy
|0gt
|1gt
|2gt
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性
L=1
L=0
LZ=+10-1
LZ=0
Jz=-32Jz=-12
Jz=+12Jz=+32
Jz=-12
Jz=+12
交換分裂 交換相互作用
+スピン軌道相互作用磁化なし
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)-絶縁性磁性体の場合- -絶縁性磁性体の場合-
磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
01 2
磁化の無いとき 磁化のあるとき
Lz=0
Lz=+1
Lz=-1
1+2
光子エネルギー 光子エネルギー
rsquoxyrdquoxy
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値
20
2
4
m
fNe SO
peakxy
大きな磁気光学効果を持つ条件光学遷移の振動子強度 f が大きいスピン軌道相互作用が大きい遷移のピーク幅が狭い
鉄の場合 N=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル
励起状態
基底状態
f+ f-
f=f+ - f-
0
磁化なし 磁化あり
rsquoxy
rdquoxy
光子エネルギー
誘電率の非対角要
素
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)-金属磁性体の場合- -金属磁性体の場合-
バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint
occ
kl
unocc
knknlxyxy nlnl
m
q
22
2
2
2)Im()(
kdFm
qnlnlxy
332
2
8
1
2
Fnl(ω) = |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2 + |ltnuarr|π - |uarrlgt|2 - |ltnuarr|π + |uarrlgt|2
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
YY33FeFe 55 OO 1212の電子準位図の電子準位図
6S (6A1 6A1g)
6P (6T2 6T1g)
without perturbation
spin-orbit interaction
tetrahedral crystal field
(Td)
octahedral crystal field
(Oh)
J=72
J=52
J=32
52
-32
-
Jz=
32
72
32
32
52 -52
-32
-32
-32
-72
Jz=
P+ P-P+ P-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
experiment
calculation
300 400 500 600
wavelength (nm)
Far
aday
rot
atio
n (a
rb u
nit)
0
-2
0
+2
Far
aday
rot
atio
n (d
egc
m)
04
x104
08
-04
YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験
片山
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
073ML11ML
201ML
3 1ML
4 02ML
4 93ML
6 57ML6 02ML
2 3 4 5Photon Energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
(mde
gF
e nm
)10
0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
(a) (b) (c)
PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル
カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分
xxxx
xyK
1
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Photon Energy (eV)
Far
aday
Rot
atio
n(x1
0-3 d
egc
m)
x=021x=045
x=074
希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Wavelength (nm)P
ola
r K
err
ro
tatio
n (
min
)
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
5 4 3 2
Photon Energy (eV)
0
-02
-04
-06
Pol
ar
Ker
r ro
tatio
n (d
eg)
Wavelength (nm)
300 400 500 600 700
アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開
11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
1磁性人工構造の磁気光学効果1磁性人工構造の磁気光学効果
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系
TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化
サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ~~ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス
効果効果 LL ~~ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ~~ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ~~ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接
効果効果
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚
貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな
るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))
xxxx
xyK
1
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル
(実験値)(実験値)
Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=150245
106171
7011370113
150245106171
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Cu single layer Fe surface
Cu surface
FeCu=062Experiment
FeCu=31495792106171170275
(b) 実験結果
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Bilayer
1n h
2n
N
h1
h2
h1
h1 h1
h2
h1
h2
1n
2n
1n
1n
2n
1n
1N
nN
LN
Multilayer
11
21
21
1
ˆ2
ˆˆ
ˆˆˆ
)2exp(ˆ1
)2exp(ˆ1ˆˆ
hnand
nn
nnr
where
ir
irnN
Complex Kerr rotation
2
ˆˆˆ
2
ˆˆ
ˆ1ˆ
ˆˆ
22
2
LLLLxy
xyK
NNNand
i
NN
where
NN
xxxx
xxxx
in
in
222
2
112
1
ˆ
ˆ
Virtual optical constant
仮想光学定数法仮想光学定数法
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト
ル(計算値)ル(計算値)Ker
r ro
tatio
n (
min
)
Wavelength (nm)
Fe single layer
Fe surface
Cu surface
FeCu=062Calculation
FeCu=150245
10617170113
(a)
Ref
lect
ivity
(
)
Wavelength (nm)
Cu single layer
Fe single layer
Fe surface
Cu surfaceFeCu=062Calculation
FeCu=31495792106171170275
(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値
Modulation period (Aring)
Ker
r ro
tatio
n (m
in)
CalcExp
Fe surface
Cu surface
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜
MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移
当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚
依存性依存性
Photon energy (eV)
Pol
ar K
err
rota
tion
Ang
le (
mde
gcm
)
Au のプラズマ
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係
Au(fcc) Fe(bcc)
EF
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
4eV4eV における1層あたりのカー楕円率における1層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金
[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100
型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu
層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ
もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)
bcc Fe
fcc Au
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Fe シード層Auバッファ
Fe(xML)
Au(xML)
MgO基板
1
2
3
N
整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375
Fe (x ML)Au (xML)
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル
x=1~ 5 x=6~ 15
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
第1原理バンド計算による第1原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル 磁気光学スペクトル (山口(山口
による)による)
4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット
点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子
PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル
(a)
(b)
(a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値
θK ηK θK ηK
Pt(10)Co(5)Pt(18)
Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)
Pt60Co40 alloy
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル
(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)
(b) Simulation(a) Experiment
θK
ηK
θK
ηK
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
Pt(10)Fe(5)
Pt(20)Fe(5)
Pt61Fe39 alloy
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成
合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo
から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション
YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮
定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)
(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd
PdCo experiment
X=553500400
200
PdCo experiment
000
X=553500400
200000
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子
FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ
とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル
FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定
FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定
Experiment
Simulation
FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成
分)分)
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる
山口による
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子
YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル
対称モデル ( 点線 ) では説明できない
非対称モデル (破線 ) とよく合う
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン
Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた
何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる
層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない
遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
2近接場磁気光学顕微鏡2近接場磁気光学顕微鏡(( MO-SNOM)MO-SNOM)
近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡(近接場顕微鏡( SNOM)SNOM) の歴史の歴史
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
近接場とは近接場とは
臨界角c
媒質 2
媒質 1
ic
ic
エバネ セ ン ト波
全反射とエバネセント波
d
伝搬光
エバネセント場
散乱光
微小物体の周りのエバネセント場に置かれたもう1つの微小物体による散乱光
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる
HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい
Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い
SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
プローブの高さ制御プローブの高さ制御
Sample surface
Fiber probe
Quartz oscillator
Piezoelectrically-driven xyz-stage
Piezoelectrically-driven xyz-stage
bimorph
LDPhoto diode
Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に光ファイバーをテーパー状に細めたプローブ で光磁気記録再生に成功細めたプローブ で光磁気記録再生に成功
1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像
多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない
偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
KottlerKottler らの試みらの試み
図 6 (a) CD-SNOM システムと (b)PtCo の磁区像 (Kottler25)
(a)
(b)
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 ファイバー特性の測定とよいプローブの選別ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 偏光伝達特性の補償偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
SNOMSNOM のブロック図のブロック図
コントロールユニット
(SPI 3700)
音響光学変調器
アルゴンレーザ
信号発生器ロックインアンプ
コンピュータ
XYZ
スキャナ
バイモルフ
フィルタ
試料
フォトダイオード
光電子増倍管
半導体レーザ
光ファイバプローブ
検光子
偏光子
ダイクロイックミラー
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
ベントファイバプローブベントファイバプローブ
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Aperture Diameter
Evanescent Wave
Al-coating
light
50-100 nm
Transmitting Wave
z-exp0
IIE
Near-Field
Far Field
Application to MO-SNOM
Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics
Transmission Prop
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
図3
ファイバホルダーファイバホルダー
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
反射モード反射モード SNOMSNOM 像像
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM
凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
3非線形磁気光学効果3非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは非線形光学効果とは
第2高調波光に対する磁気光学効果第2高調波光に対する磁気光学効果 非線形カー回転とは非線形カー回転とは
PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する
中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など)では電など)では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
LD pump SHG laser
lens
Mirror
Chopper
Lens
Analyzer
Filter
PMT
Ti sapphirelaser
Mirror
Filter
polarizer
Berek compensator
Sample
Stage controller
Electromagnet
Photon counter Computer
=532nm
=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz
Photon counting
非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
P-polarized or S-polarized light
nm)
nm)
AnalyzerFilter
nm)
Pole piece
Rotatinganalyzer
試料回転
Sample stage
45deg
Sample
MSHGMSHG 測定系配置測定系配置
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Result
Analyzer angle-dependence for
[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity
K(2)= 172 3
The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field
0 30 60 90 120 150 1800
10
20
30
40
50
3kOe -3kOe
Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
104
2K(2)=343
S-polarized lightω(810nm)
2 (405nm)
Analyzer
45deg
Electromagnet
Rotating Analyzer
Filter
)(
)(tan
)(
)(tan
2
1 11)2(
MIN
MAX
MIN
MAXK I
I
I
I
MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Analyzer angle dependence
Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
(a) Fe(1ML)Au(1ML) Pin
(b) Fe(175ML)Au(175ML) Sin
= 274deg = 311deg
Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角
SH
G in
tens
ity (
coun
ts1
0sec
)
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice ( Pin Pout )
(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm)
Linear optical response (=810nm) The isotropic response for the azimuthal
angle Nonlinear optical response (=405nm) The 4-fold symmetry pattern Azimuthal pattern show 45-rotation by
reversing the magnetic field
050
100150200250300
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
050
100150200250300
020406080
100
0
30
6090
120
150
180
210
240270
300
330
020406080
100
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
SH
G in
ten
sity
(co
un
ts1
0se
c)
45
P-polarized light (810nm)
Electromagnet
2 (405nm)
Analyzer 45deg
Rotation of sample
Filter
線形非線形
MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
2次の非線形分極2次の非線形分極
QijklLkj
DijkLkj
Dijk
kljQ
ijklkjD
ijki
klj EEMEEEE
EEMEEMMP
)()()(
)()()2(
0
Surface nonmagnetic(dipole term)
Bulknonmagnetic(quadrupole)
Surface Magnetic(dipole term)
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
ASP=460 B=26 C=-88
(c) Sin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
ASS=100 B=26 C=-88
(d) Sin-Sout
103
APP=1310 B=26 C=-88
(a) Pin-Pout
103
SH
G in
tens
ity
(cou
nts
10se
c)
APS=-300 B=26 C=-88
(b) Pin-Sout
103 点実験実線計算
MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
CrCr22OO33 のの MSHGMSHG
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡
非線形磁気光学顕微鏡の模式図
LP F1
Objective lens
Sample
F2
A
CCD
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果
X線磁気光学顕微鏡X線磁気光学顕微鏡 Sagnac顕微鏡Sagnac顕微鏡
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
2p12
2p32
3d
(12)
(6)
(2)
(1)
(3)
(6) (6)
(3)
(3)
(14)
(a)
(b)
+12 -12
+32 +12 -12 -32mj
mj
+2 +1 0 -1 -2md
Occupation of minority 3d band
X線磁気光学効果X線磁気光学効果
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
(b)
LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡
Fischer による
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Fiber
Lens
4plate
4plate
SampleLens
Fiber
(a)
Source
Polarizer
Beam Splitter
DetectorElectro-OpticModulator
ccw
cw
サニャック干渉計サニャック干渉計
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
サニャックサニャック SNOMSNOM
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
Optical delay
Ti-sapphirelaser
pump
probe
2
Polarizersample
Analyzer
Detector
ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-
おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される
磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる
磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる
光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し
い研究が進展しているい研究が進展している
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Slide 57
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 81
- Slide 82
- Slide 83
- Slide 84
- Slide 85
- Slide 86
- Slide 87
- Slide 88
- Slide 89
- Slide 90
- Slide 91
- Slide 92
- Slide 93
- Slide 94
- Slide 95
- Slide 96
- Slide 97
- Slide 98
- Slide 99
- Slide 100
- Slide 101
- Slide 102
- Slide 103
- Slide 104
- Slide 105
- Slide 106
- Slide 107
-