Устройство для топографирования доменов в антиферромагнитных кристаллах Советский патент 1990 года по МПК G02F1/09 

1

(21)4426235/31-25

(22)16.05,88

(46) 23,06,90,, Бюл, № 23

(71)Физико-технический институт низких температур АН УССР

(72)Л„Ио Белый, В В Еременко и НоФ, Харченко

(53) 535.8(088.8)

(56)Харченко Н,Ф., Еременко В.В„, Белый Л.Ио Индуцированное продольным магнитным полем понижение оптического класса антиферромагнитного кристалла,, - Письма в ЖЭТФ, 1978, т. 28, вып„ 6, с, 351-355

Eremenko V,VU, Kharchenko N.P., Belyi Lol MagneLooptics of antifer- romagnets. Physics P eports. - Rev. Sect, Phys. Lett, 1S37, v 155, N 6, p, 379-401,

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОПОГРАФИРОВАНИЯ ДОМЕНОВ В АНТИФЕРРОМАГНИТНЫХ КРИСТАЛЛАХ

(57)Изобретение относится к исследоИзобретение относится к физике, а именно к области исследования материалов с помощью оптических методов, и может быть использовано для топографи- рования 180-градусных антиферромагнитных (АФМ) доменов прозрачных АФМ кристаллов о

Цель изобретения - повышение эффективности телеграфирования 180-градусных доменов в антиферромагнитных кристаллах без центра антиинверсии.

На фиго 1 показана оптическая схе ма, позволяющая предлагаемым спаецэванию материалов опт гческимн метода- , ми о Цель изобретения - повышение эффективное ги„ Для этого в устройстве, содержащем источник света и расположенные по ходу луча линейный поляризатор, апертурную диафрагму, конденсор, источник магнитного поля, держатель образца, объектив, анализатор и фоточувствительный детектор, источник магнитного поля выполнен с возможностью ориентации напряженности магнитного поля во взаимно перпендикулярных направлениях, введена между объективом и анализатором четвертьволновая пластина При этом четвертьволновая пластинка и линейный анализатор выполнены в одной оправе с возможностью их поворота друг относительно друга, а также совместного вращения, а апертурная диафрагма выполнена в виде коноскопи- ческой Фигуры исследуемого кристалла, с возможностью перемещения в плоскости, перпенднку ярнои направлению распространения света 2 ил0, 1 таб Ь

бом наблюдать 180-градусные АФМ домены; на фиг, 2 - держатель фототранспаранта, соответствующего коноскопп- ческой фигуре исследуемого объекта. Устройство (фиг„ 1) содержит источник 1 света и расположенные по ходу луча коллектор 2, линейный поляризатор 3, апер урную диафрагму 4, конденсор 5 с переменным фокусным расстоянием, оптический криостат 6, источник 7 магнитного поля, например соленоид, составленный из двух электрически соединенных секций, позволяю(Л

ел

vl

&Ј 4

О

щий ориентировать магнитное поле по направлению света или перпендикулярно к нему путем перестановки секций соленоида таким образом, чтобы общая ось секций соленоида располагалась либо по ходу луча, либо перпендикулярно лучу света, держатель образца 8, объектив 9, эллиптический анализатор 10, состоящий из четвертьволно- вой пластинки 11 и линейного анализатора 12, которые могут совместно вра щаться, при этом угол между направлением поляризации быстрой световой волны в четвертьволновой пластинке и нап равлением поляризации анализатора может принимать любые значения между О и 90°о Предусмотрена также светодели- тельная пластинка 13 и фотоаппарат 14с

Для получения более контрастного изображения в устройстве вместо апер- турной диафрагмы 4 (фиг. 1) введены сменные диафрагмы-вкладыши (фиг0 2), выполненные в виде фототранспарантов, которые представляют собой негативные изображения коноскопических фигур исследуемых объектов Держатель диафрагм-вкладышей состоит из рамы 15, по направляющим которой с помощью винтов 16 перемещают платформы 17 и 18„ Люфт в платформах убирается пружинами 19, Совмещение изображения фототранспаранта с коноскопической фигурой объекта осуществляют перемещением диафрагмы- вкладыша перпендикулярно направлению света и перемещением объектива 9. Контроль за совмещением коноскопической фигуры и изображения фототранспаранта производится визуально с помощь полупрозрачного зеркала и окуляра« По вышение контраста в устройстве обуслолено тем, что при совмещении коноскопической фигуры кристалла с изображением фототранспаранта в отсутствие магнитного поля происходит уменьшение поляризационного фона Этот фон может быть вызван случайным распределением двупреломления из-за остаточных или наведенных напряжений в кристалле

Увеличение разрешающей способности

устройства связано с увеличением апертурного угла диафрагмы 4 (фиг„О. Алертурный угол диафрагмы-вкладыша больше по сравнению с обычной диафрагмой в виде круглого отверстия. Для изменения угла конуса лучей света конденсор 5 (фиг0 1) выполнен в виде трансфокатора с изменяющимся фокусным расстоянием.

Q 5

0 Q г 0 5

0

5

Устройство работает следующим образом

Излучение со сплошным энергетическим спектром от источника 1 излучения, которым служит лампа накаливания, оптическими элементами схемы: коллектором 2, поляризатором 3, апертурной диафрагмой 4, формируется в линейно поляризованное излучение Этот поток попадает в криостат 6 с размещенными в его рабочем объеме источником 7 внешнего магнитного поля 7, например соленоидом, который состоит из двух секций, закрепленных на крестовине из трубоко Обмотки секции соединяют между собой и соленоид подключают к источнику питания Для изменения направления магнитного поля на взаимно перпендикулярное переставляют секции соленоида на крестовине. Излучение, выходящее из криостата, анализируют механически связанной системой, которая состоит из четвертьволновой пластинки 11 и линейного анализатора .Анализатор и четвертьволновую пластинку при необходимости поворачивают либо совместно, либо друг относительно друга на угол от 0 до 90° вокруг общей оси вращения Окончательно изображение доменов фокусируется объективом 9 на фотодетектор (фотопленка) 13.

В нецентроантисимметричных классах кристаллов (например, антиферромагнетиках) отсутствуют в качестве операции симметрии операция антисимметрии (Т ), т е операция симметрии одновременного изменения координат (1 ) и времени О ), вследствие чего могут быть различимы оптические свойства доменов с противоположно направленными векторами начагниченности в них

Проведенный теоретико-групповой анализ симметричных компонент тензора диэлектрической проницаемости, зависящих от напряженности магнитного поля, показал, что у одних АФМ кристаллов, характеризующихся определенной магнитной Лауэ группой (таблица 1), внешнее магнитное поле вызывает наведение ли- нейного по напряженности магнитного поля двупреломление линейно поляризованного света и соответствующего сдвига фаз между световыми модами ±о ,знак которого при фиксированном направлении магнитного поля определяется антифер- ромагнитными состояниями АФМ + и АФМ Здесь АФМ и АФМ состояния обозначают АФМ-е состояния с противоположно,

направленными АФМ векторами L . Для двухподрешеточного АФМ-ка вектор

L М, - И2, где М( и М2 - вектора магнитных моментов подрешеток.

У других АФМ кристаллов магнитное поле вызывает линейный по полю поворот осей оптической индикатрисы, направление которого противоположно для состояний АФМ и АФМ , Составлена таблица, в которой выражена зависимость появления эффектов линейного по полю двупреломления линейно поляризованного света и поворота осей оптической индикатрисы от магнитной симметрии кристалла и взаимного расположения направления вектора напряженности магнитного поля, вектора направления распространения света и кристапло графических осей кристалла„

Например, для антиферромагнетиков с магнитной симметрией 422 наиболее четко проявляется эффект двупреломления при расположении вектора напряженности магнитного поля вдоль направления распространения света, а кристаллографической оси Z параллельно направлениям поля и света Изменение направления АФМ вектора на противоположное при фиксированных величине и направлении внешнего магнитного поля приводит к изменению знака линейного двупреломления линейно поляризованного света Это обстоятельство дает воз

5

0

ризаторах не выявится: домены просветляются одинаково, поскольку преобразованный АФМ доменами свет имеет эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями обхода эллипсов с одинаковыми азимутами их осей и с одинаковыми величинами эллиптичности эллипсов поляризации. Контраст между доменами создается с помощью четверть волновой пластинки.Азимут четйертьвол- новой пластинки выбирается таким,чтобы при ориентации оси пропускания линейного анализатора параллельно оси четвертьволновой пластинки АФМ домены при визуальном наблюдении имели одинаковую оптическую плотность о Затем поворотом анализатора вокруг оси, совпадающей с вектором распространения света К, по часовой или против часовой стрелки домена добиваются затемнения одного или второго АФМ

домена„ i

На примере того же антиферромагне- 5 тнка с магнитной симметрией 422 рассмотрим эффект поворота осей оптической индикатрисы в магнитном поле Этот эффект проявляется при расположении кристаллографической оси Z перпендикулярно одинаково направленным векторам напряженности магнитного поля и направления распространения света , Изменение ориентации АФМ вектора на противоположное при фиксированных

0

Изобретение относится к исследованию материалов оптическими методами. Цель изобретения - повышение эффективности. Для этого в устройстве, содержащем источник света и расположенные по ходу луча линейный поляризатор, апертурную диафрагму, конденсор, источник магнитного поля, держатель образца, объектив, анализатор, фоточувствительный детектор, источник магнитного поля выполнен с возможностью ориентации напряженности магнитного поля по взаимно перпендикулярных направлениях, введена между объективом и анализатором четвертьволновая пластинка. При этом четвертьволновая пластинка и линейный анализатор выполнены в одной оправе с возможностью из поворота друг относительно друга, а также совместного вращения, а апертурная диафрагма выполнена в виде коноскопической фигуры исследуемого кристалла с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. 1 табл., 2 ил.

можность различать состояние АФМ крис-35 величине и направлении магнитного по- талла с противоположно ориентированными АФМ векторами.

В отсутствие магнитного поля оптическая индикатриса кристалла представляет собой эллипсоид вращения, ось 40 которого совпадает с осью симметрии высокого порядка. Сечение индикатрисы плоскостью, перпендикулярной оси высокого порядка, в данном случае С, является окружностью, радиус которой 45 одинаков для доменов с противоположными направлениями АФМ-х векторов Lo Поэтому при нормальном падении света на пластинку кристалла, вырезанную . перпендикулярно оси С4, он выглядит 50 темным в скрещенных поляризаторах, и домены оптически неразличимы Воздействие на кристалл магнитного поля Н

ля приводит к изменению направления поворота осей оптической индикатрисы и, следовательно, к изменению параметров эллипса почяризации рсгнстри- руюцего света, Различие параметров эллипсов поляризации- света, вышедшего из АФМ доменов, позволяет создать оптический контраст для наблюдения доменов.

В отсутствие магнитного попя сечение оптической индикатрисы плоскостью, перпендикулярной направлению распространения света K1Z, является эллипсом, который имеет одинаковые параметры для доменов с противоположными направлениям АФМ векторов Lo Поэтому домены неразличимы. Воздействие на кристалл магнитного поля H(001l приводит к противоположно направленным поворотам

приводит к деформации оптической индикатрисы и к понижению оптического 55 оптической индикатрисы в каждом из класса от оптически одноосного к дву- доменов.

осному„ Однако и в этом случае при В общем случае слабый контраст межнормальном падении света на кристалл ДУ доменами можно получить без чет- доменная структура в скрещенных полявертьволновой пластинки с помощью повеличине и направлении магнитного по-

ля приводит к изменению направления поворота осей оптической индикатрисы и, следовательно, к изменению параметров эллипса почяризации рсгнстри- руюцего света, Различие параметров эллипсов поляризации- света, вышедшего из АФМ доменов, позволяет создать оптический контраст для наблюдения доменов.

В отсутствие магнитного попя сечение оптической индикатрисы плоскостью перпендикулярной направлению распространения света K1Z, является эллипсом, который имеет одинаковые параметры дл доменов с противоположными направлениям АФМ векторов Lo Поэтому домены неразличимы. Воздействие на кристалл магнитного поля H(001l приводит к противоположно направленным поворотам

оптической индикатрисы в каждом из доменов.

В общем случае слабый контраст межДУ доменами можно получить без чет-

вертьволновой пластинки с помощью по10

15

20

71573440

ворота анализатора. Однако для повышения контраста необходима четвертьволновая пластинка. В симметричном случае, т„е. когда совпадает азимут поляризованного света с осью Z, оптический контраст можно получить только при наличии четвертьволновой пластинки: совмещают с осью поляризатора и поворотом анализатора добиваются затемнения одного или второго АФМ домена о

Введение в предлагаемое устройство источника магнитного поля и относительная ориентация векторов напряженности магнитного поля Н, направления распространения света К и оси кристалла (таблица 1), а также введение четвертьволновой пластинки и соответствующая ориентация ее относительно анализатора или совместно с ним обеспечивает возможность наблюдения 180- градусных АФМ доменов о

В качестве примера, для топографирования 180-градусных, АФМ доменов выб-25 ран кристалл с магнитной Лауэ группой 4 22 (таблица), К этой группе относится двухподрешеточный кристалл CoF. Выберем для визуализации доменов продольную геометрию опыта, при которой направление магнитного поля, :вета и оси высокого порядка (ось С4 цля CoF7) совпадает (if II К II С4), В этой геометрии опыта наблюдение доменов осуществляется за счет возникновения в магнитном поле двупреломления линейно поляризованного света линейного по полю.

Пластинка кристалла вырезана перпендикулярно кристаллографической оси С и имеет площадь 10 мм2 при толщине 1S7 мм. Эта пластинка помещена в рабочий объем соленоида и с помощью хла- допровода охлаждена в кристалле до температуры 24 К„ Плоскость поляризации света с длиной волны (400+20) нм ориентировалась вдоль направления C110J кристаллао В этом случае антиферромагнитные домены визуально не различимы, так как поляризация прошедшего через них света различается только направлением обхода эллипса поляризации при одинаковых азимутах и отношении его осей Четвертьволновую

в ил н г э т

1 4Q в

30

35

45

50

0

5

0

440

25 8

пластинку устанавливают в такое положение, чтобы домены имели одинаковую оптическую плотность при ориентации анализатора параллельно пластинке.Затем поворотом анализатора влево или вправо добиваются затемнения одного или второго АФМ домена И1 далее доменную картину регистрируют на фотопленку В способе топографирования 180- градусных АФМ доменов контраст между доменами при установке поляризованных элементов по схеме устройства был достаточен для- визуализации АФМ доменов в поле 0,5 кЭ0 Время экспозиции домё- ноз на фотопленку не превышало 1 с, разрешение составляет около 3 мкм. Топографирование АФМ доменов позволяет исследовать домены з статическом и динамическом режимах, выявлять изменение АФМ доменной структуры, вызванные другими причинами (температурой, механическими напряжениями, действием магнитных полей и ТсД.),

Формула изобретения

Устройство для топографирования доменов антиферромагнитных кристаллах, содержащее источник света и расположенные по ходу луча поляризатор, апертурную диафрагму, конденсор, источник магнитного поля, держатель образца, объектив, анализатор, фоточув- ствителъный детектор, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности топографирования 180-градусных доменов в антиферромагнитных кристаллах -без центра антиин- 4Q версии, источник магнитного поля

30

35

5

0

выполнен с возможностью ориентации напряженности магнитного поля во взаимно перпендикулярных направлениях, между объективом и анализатором расположена четвертьволновая пластинка, установленная в одной оправе с анализатором с возможностью поворота относительно анализатора и совместного вращения с анализатором, а апертурная диафрагма выполнена в виде коноскопи- ческой фигуры исследуемого кристалла и установлена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения света.

IT II if

Й1 X Н; К IIY If if; 222

222, iron2, iranm

W 15 7В

Редактор Н„ Яцола

Составитель В„ Коледов

Техред Л.Сгрдюкова Корректор с, Ыешсун

Заказ 1642

Тираж 468

ВНИШШ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул, Гагарина, 101

19

Подписное