磁光克爾效應

在物理學中，磁光克爾效應（英語：Magneto-optic Kerr effect，縮寫: MOKE）或表面磁光克爾效應（SMOKE）是磁光效應之一^[1]。它描述了從磁化表面反射後的光的變化。它用於克爾顯微鏡等設備的材料科學研究，以研究材料的磁化強度結構。

定義

被磁化表面反射的光可以改變偏振和反射強度。效果類似於法拉第效應：法拉第效應描述了通過磁性材料傳輸的光的變化，而克爾效應描述了從磁性表面反射的光的變化。這兩種效應都是由介電張量 $\varepsilon$ 的非對角線分量引起的。這些非對角線分量使磁光材料具有各向異性介電常數，這意味着其介電常數在不同方向上是不同的。介電常數會影響材料中的光速：

$v_{p}={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon \mu }}}$

其中 $v_{p}$ 是穿過材料的光速， $\varepsilon$ 是材料介電常數， $\mu$ 是磁導率; 因此光的速度取決於其方向。這導致偏振入射光的相位波動。

幾何形狀

磁光克爾效應可以通過磁化強度向量相對於反射表面和入射平面的方向進一步分類。

根據鐵磁體的磁化向量與光的入射面的關係，磁光克爾效應又可分成三類：

極向磁光克爾效應 (Polar): 磁化向量垂直反射面，但與入射面平行。
縱向磁光克爾效應 (Longitudinal): 磁化向量和入射面及反射面同時平行；
橫向磁光克爾效應 (Transversal): 磁化向量和入射面垂直，但平行於反射面。

磁光克爾效應一般受到磁體表面深度為10-20 nm範圍內的磁疇影響^[2]。因此，它最適合用於磁性薄膜磁性的研究。另外，也可用此效應做成顯微鏡，作為磁性研究的一種手段。

克爾效應的具體現象是，從鐵磁體表面反射的線偏振光變成了橢圓偏振光；並且其長軸（major axis）發生轉動；轉動的大小與表面磁疇的磁化向量成分成正比。它的物理根源是磁圓二色效應；在磁性材料中，光和自旋-軌道耦合，導致對左、右旋的偏振光吸收不同的緣故。

應用

觀察磁光克爾效應的光學實驗

顯微鏡

克爾顯微鏡依賴於磁光克爾效應以對磁性材料表面上的磁化差異進行成像。在克爾顯微鏡中，照明光首先通過偏振片濾光器，然後從樣品反射並通過分析儀偏振濾光器，然後通過常規光學顯微鏡。由於不同的磁光克爾效應幾何形狀需要不同的偏振光，因此偏振器應該可以選擇改變入射光的偏振（圓形，線形和橢圓形）。當偏振光從樣品材料反射時，可能發生以下任何組合的變化：克爾旋轉，克爾橢圓率或偏振幅度。極化的變化由分析儀轉換成可見的光強度變化。計算機系統通常用於根據這些極化變化在表面上產生磁場圖像。

磁介質

磁光碟（magneto-optical disc, MO disc）於1985年推出。磁光碟使用激光和電磁鐵編寫。激光器將碟片加熱到其居里溫度以上，此時電磁鐵將該位置定位為1或0。為了讀取，激光器以較低的強度操作，並發射偏振光。分析反射光，顯示0或1之間的顯着差異。

發現

磁光克爾效應於1877年由約翰·克爾(John Kerr)發現^[3]^[4]。

參見

參考文獻

^ Kerr,John(1877)"On Rotation of the plane of the polarization by Reflection from the pole of a magnet" Philosophical Magazine 3:321
^ J.A.C.Bland et al."An Intensity-stabilised He-Ne laser for measuring small magneto-optic Kerr rotations from ferromagnetic films" J.Phys.E.Sci.Inst.(22)308(1989)
^ Kerr, John. On Rotation of the Plane of the Polarization by Reflection from the Pole of a Magnet. Philosophical Magazine. 1877, 3: 321 [2019-02-09]. doi:10.1080/14786447708639245. （原始內容存檔於2019-06-05）.
^ Weinberger, P. John Kerr and his Effects Found in 1877 and 1878 (PDF). Philosophical Magazine Letters. 2008, 88 (12): 897–907. Bibcode:2008PMagL..88..897W. doi:10.1080/09500830802526604. （原始內容 (PDF)存檔於2011-07-18）.

[1] Kerr,John(1877)"On Rotation of the plane of the polarization by Reflection from the pole of a magnet" Philosophical Magazine 3:321

[2] J.A.C.Bland et al."An Intensity-stabilised He-Ne laser for measuring small magneto-optic Kerr rotations from ferromagnetic films" J.Phys.E.Sci.Inst.(22)308(1989)

[3] Kerr, John. On Rotation of the Plane of the Polarization by Reflection from the Pole of a Magnet. Philosophical Magazine. 1877, 3: 321 [2019-02-09]. doi:10.1080/14786447708639245. （原始內容存檔於2019-06-05）.

[4] Weinberger, P. John Kerr and his Effects Found in 1877 and 1878 (PDF). Philosophical Magazine Letters. 2008, 88 (12): 897–907. Bibcode:2008PMagL..88..897W. doi:10.1080/09500830802526604. （原始內容 (PDF)存檔於2011-07-18）.

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