JP2011039008A - 磁気光学特性測定装置及び磁気光学特性の測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気光学特性測定装置1は、レーザ光源2が試料Fの磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し試料に照射するモードロックレーザであり、外部磁場印加手段4が試料に所定の外部磁場を電磁石により印加させ、偏光検出器5は光パルス列が試料で反射した反射光を検出して、偏光成分を磁気光学信号として出力し、制御装置6が外部磁場印加手段を制御して試料の磁化の光励起歳差運動が光パルス列の周期に同期したときの外部磁場と磁気光学信号とを共鳴条件として取得し、共鳴条件での光パルス列の周期と外部磁場の強度と磁気光学信号とを用いてLLG方程式に基づき試料の磁気光学特性である有効内部磁場又は異方性磁場とダンピングファクタとを算出する。
【選択図】図1
Description
例えば、超高速時間分解磁気光学分光法は、1本のパルス光照射により誘起される磁気光学効果の変化を観測する。そのために、測定精度が充分とは言えず、また、強磁性体の試料の種類によっては評価することができない。さらに加えて、実験には大きく高価な測定装置と、熟練した実験技術とが必要不可欠である。また、強磁性共鳴法も、実験には大きく高価な測定装置と、熟練した実験技術とが必要不可欠である。
そして、請求項4に記載の磁気光学測定装置は、請求項1又は請求項2に記載の磁気光学測定装置において、前記外部磁場印加手段が、前記試料の裏面側に配設された電磁石から前記試料表面に垂直な面直磁場を発生させ、前記試料表面に面直磁場を印加させる。
(1)磁気光学特性測定装置の概要
図1は、本発明の第1の実施形態の磁気光学特性測定装置1を説明するための構成図である。磁気光学特性測定装置1は、所定の繰り返し周期trepのレーザ光を強磁性体の試料Fに照射することで、当該試料Fの異方性磁場Haniを含む磁気光学特性を測定するものである。
磁気光学特性測定装置1は、図1に示すように、レーザ光源2と、光学系3と、外部磁場印加手段4と、偏光検出器5と、制御装置6とを備えている。
次に、本発明の磁気光学測定における理論モデルの概要と計算結果について図2乃至図13を参照して説明する。ここでは、2.1磁化の歳差運動、2.2磁化の歳差運動の干渉、2.3MO信号の各節について順次説明する。
まず、理論モデルの前提として、磁化の歳差運動について説明する。理論モデルを説明するための概念図を図2に示す。図2では、薄い膜状の試料Fが固定される平面をxy平面、その平面の法線方向をz軸として示した。つまり、レーザ光源2から照射されるパルス光の照射方向は、z軸方向である。また、図2(a)に示す平衡状態においては、試料Fの磁化ベクトルM(以下、単に磁化Mという)と有効内部磁場ベクトルHeff(以下、単に有効内部磁場Heffという)は、図示するようにx軸方向に向いているものとする。
条件1:前記した式(2)に示した角度θ、すなわち、有効内部磁場Heffがz軸方向に傾く角度θは、考慮している時間(例えば、ピコ秒からサブナノ秒)では緩和しないものとする。つまり、角度θは、時間に依存せず一定であって、時間tの関数ではないものとする。言い換えると、光照射による有効内部磁場Heffの向きの変化の緩和時間τが無限大(τ=∞)であるものとする。
条件2:ダンピングファクタαの値を0とする。
ここで、磁化Mの歳差運動の干渉を説明するために、計算機シミュレーションにより2本の連続したパルス光を磁性体に照射することを想定する。また、この計算では、レーザの繰返し周波数νL(=1/trep)が5[GHz]であるものと仮定する。つまり、レーザの繰返し周期trepは、200[ps]である。
一方、共鳴条件を満たさない場合(非共鳴条件の場合)、複数のパルス光照射により誘起される磁化Mの歳差運動は、各々が打ち消しあって歳差運動の振幅が小さくなる。
そこで、本実施形態では、連続したパルス光で励起した磁化Mの挙動を、パルス光の反射光が示すMO信号を観測して評価することとした。
図6(a)乃至図6(e)は、共鳴条件Heff=Hresにおいて、1本目から2本目のパルス光を照射した後までの時間的経過を示している。各図の縦軸及び横軸は、1本目の磁化Mについて示した図3と同様である。ただし、光照射によりHeffがz軸方向に1ミリラジアン傾くと仮定した。計算結果は、図4(a)、図4(b1)、及び、図4(c1)を参照して説明した共鳴条件での磁化Mの振る舞いと同様に歳差運動を継続する。
すなわち、共鳴条件では、磁化Mは、平衡状態での向きに近いということができる。
この節では、2.3.1有効内部磁場とMO信号との関係、2.3.2外部磁場とMO信号との関係、2.3.3ダンピングファクタ及び緩和時間とMO信号との関係の各テーマについて説明する。
(2.3.1)有効内部磁場とMO信号との関係
連続したパルス光により励起した磁化Mの挙動を、パルス光の反射光が示すMO信号を観測することによって評価することにする。観測されるMO信号Θの一例として、式(9a)で定義する。
また、外部磁場Hext中にある強磁性体の有効内部磁場Heffは、式(11)で記述される。この式(11)において、Hdemは反磁場を示す。ここでは、異方性磁場Haniが反磁場Hdemに比べて十分大きいものと仮定しHdem=0とした式(12)を用いることとする。このとき、異方性磁場Haniは、式(13)より求められる。
また、前記の2つの条件(ダンピングファクタα=0、緩和時間τ=∞)は、簡便のために導入した。ただし、実際には、例えば、強磁性金属の緩和時間τは数マイクロ秒から数ミリ秒であり、強磁性半導体の緩和時間τはサブナノ秒であることが知られている。また、実際のダンピングファクタαは、強磁性金属でも強磁性半導体でも、0.1乃至0.001のオーダにあることが知られている。強磁性体の磁気特性において、異方性磁場Haniに加えて、ダンピングファクタαの決定も重要な課題である。
次に、磁気光学特性の測定方法の全体の流れについて、フローチャートとして図14を参照(適宜図1参照)して説明する。
次に、磁気光学特性測定装置1の制御装置6の構成例について図15を参照して(適宜図1参照)説明する。
ここでは、制御装置6は、レーザ光源制御部61と、外部磁場制御部62と、MO信号取得部63と、MO信号蓄積部64と、MO信号判定部65と、異方性磁場算出部66と、フィッティングデータ記憶部67と、減衰パラメータ算出部68とを備えることとした。
外部磁場制御部62は、予め定めた順番で外部磁場第Hext変化させる。
そして、MO信号取得部63は、偏光検出器5からMO信号Θを取得し、MO信号蓄積部64に格納する。MO信号蓄積部64は、例えば、一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、MO信号蓄積部64は、外部磁場制御部62から外部磁場Hextの値も記憶する。
また、異方性磁場算出部66は、算出した共鳴が起こる磁場Hresと、MO信号判定部65から共鳴条件として取得した外部磁場Hextの値とを用いて、前記した式(12)により、有効内部磁場Heffの値を決定する。
そして、異方性磁場算出部66は、決定した有効内部磁場Heffの値と、MO信号蓄積部64から取得した外部磁場Hextの情報とを用いて、前記した式(13)により、試料Fの異方性磁場Haniを算出する。
異方性磁場算出部66は、算出した異方性磁場Haniを図示しないディスプレイに表示すると共に、決定した有効内部磁場Heffの値を減衰パラメータ算出部68に出力する。
図16に示すように、第2の実施形態の磁気光学特性測定装置1Aは、外部磁場印加手段4Aが試料Fに対して面直磁場を印加できるように配設されている点を除いて、図1に示した磁気光学特性測定装置1と同じ構成である。これにより、有効内部磁場Heffの方向が面直方向である試料Fも測定対象とすることができる。
なお、外部磁場印加手段が、面直磁場を印加するモードと、面内磁場を印加するモードに対応するように、両方の構成を備えるか、または、両方のモードを兼ねるように配置を切り替えることができるように構成するようにしてもよい。
図17に示すように、第3の実施形態の磁気光学特性測定装置1Bは、レーザ光源2からの光パルス列のレーザ光が試料Fを透過した透過光をそれぞれ偏光検出器5で受光してその偏光成分を検出できるように配設されると共に、試料Fを固定する基板12Bと、試料Fの裏面とにより凹部13が形成されている点を除いて、図1に示した磁気光学特性測定装置1と同じ構成である。
図18に示すように、第4の実施形態の磁気光学特性測定装置1Cは、偏光成分検出手段5Cを備えている点を除いて、図1に示した磁気光学特性測定装置1と同じ構成である。この偏光成分検出手段5Cは、図1に示す偏光検出器5に相当するものであって、PD51と、光弾性変調器52と、ロックインアンプ53とを備えている。
この磁気光学特性測定装置1Cによれば、偏光成分検出手段5Cを安価なPD51を用いて構成することができる。
2 レーザ光源(モードロックレーザ)
3 光学系
4、4A 外部磁場印加手段(電磁石)
5 偏光検出器(偏光成分検出手段)
5C 偏光成分検出手段
51 PD(光量検出手段)
52 光弾性変調器
53 ロックインアンプ
6 制御装置
61 レーザ光源制御部
62 外部磁場制御部
63 MO信号取得部
64 MO信号蓄積部
65 MO信号判定部
66 異方性磁場算出部
67 フィッティングデータ記憶部
68 減衰パラメータ算出部
10 集光レンズ(光学レンズ)
12、12B 基板
F 試料
Claims (6)
- 強磁性体の試料の磁化の光励起歳差運動の周期と、レーザ光源から当該試料に照射される高繰り返しパルスレーザ光の周期とを同期させ、前記試料の磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置であって、
レーザ光を発生して前記試料に照射する前記レーザ光源と、前記試料に外部磁場を印加する外部磁場印加手段と、前記試料からの検出光の偏光成分を検出して磁気光学信号として出力する偏光成分検出手段と、前記磁気光学特性を算出する制御装置とを備え、
前記レーザ光源は、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射するモードロックレーザであり、
前記外部磁場印加手段は、前記試料に隣接して設けられ前記試料に所定の外部磁場を電磁石により印加させ、
前記偏光成分検出手段は、照射された前記光パルス列が前記試料で反射した反射光、又は、前記光パルス列が前記試料を透過した透過光を検出して、その偏光成分を磁気光学信号として出力し、
前記制御装置は、前記外部磁場印加手段を制御して、前記試料の磁化の光励起歳差運動が前記光パルス列の周期に同期したときの外部磁場と前記磁気光学信号とを共鳴条件として取得し、この共鳴条件での前記光パルス列の周期と前記外部磁場の強度と前記磁気光学信号とを用いて、LLG(Landau-Lifshitz-Gilbert)方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性である有効内部磁場又は異方性磁場とダンピングファクタとを算出する
ことを特徴とする磁気光学特性測定装置。 - 前記偏光成分検出手段は、光量検出手段と、光弾性変調器と、ロックインアンプとを備え、
前記光量検出手段は、前記照射された光パルス列が前記試料で反射した反射光、又は、前記光パルス列が前記試料を透過した透過光の強度を検出し、
前記光弾性変調器は、前記レーザ光源から前記試料に照射される前記光パルス列の光路の途中に配置され、前記光パルス列を所定周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光とに切り替えて出力し、
前記ロックインアンプは、前記光弾性変調器で前記光パルス列を変調した周波数信号を参照信号として、前記光量検出手段が検出する光強度信号から偏光成分を測定した結果を前記磁気光学信号として、ロックイン検出し前記制御装置に出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気光学特性測定装置。 - 前記外部磁場印加手段は、
前記試料の両側面側に配設された電磁石から前記試料表面に平行な面内磁場を発生させ、前記試料表面に面内磁場を印加させる
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の磁気光学特性測定装置。 - 前記外部磁場印加手段は、
前記試料の裏面側に配設された電磁石から前記試料表面に垂直な面直磁場を発生させ、前記試料表面に面直磁場を印加させる
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の磁気光学特性測定装置。 - 前記試料と前記レーザ光源との間の光路に光学レンズである集光レンズをさらに備える
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の磁気光学測定装置。 - レーザ光源と、外部磁場印加手段と、偏光成分検出手段と、制御装置とを備えると共に、強磁性体の試料の磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置の磁気光学特性の測定方法であって、
前記レーザ光源であるモードロックレーザにより、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射する工程と、
前記試料に隣接して設けられた前記外部磁場印加手段により、所定の外部磁場を電磁石により前記試料に印加する工程と、
前記照射された光パルス列が前記試料で反射した反射光、又は、前記光パルス列が前記試料を透過した透過光を前記偏光成分検出手段により検出して、その偏光成分を磁気光学信号として出力する工程と、
前記制御装置により、前記外部磁場印加手段を制御して、前記試料の磁化の光励起歳差運動が前記光パルス列の周期に同期したときの外部磁場と前記磁気光学信号とを共鳴条件として取得する工程と、
前記制御装置によって、前記共鳴条件における前記外部磁場の大きさと、前記光照射の繰り返し周期との各情報を用いて、LLG方程式に基づいて、前記試料の有効内部磁場又は異方性磁場とダンピングファクタとを算出する工程と
を含むことを特徴とする磁気光学特性の測定方法。
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