Устройство для топографирования доменов в антиферромагнитных кристаллах

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (!9! !!!!

А1 (51)5 С 02 F 1/09

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЖ)БРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4426235/31-25 (22) 16.05.88 (46) 23.06.90. Бюл.. Р 23 (71) Физико-технический институт низких температур АН УССР (72) Л.-И, Белый, В.B., Еременко и Н.Ф. Харченко (53) 535.8(088.8) (56) Харченко Н.Ф., Еременко В.В., Белый Л.И. Индуцированное продольным магнитным полем понижение оптическогс класса антиферромагнитного кристалла. — Письма в ЖЭТФ, 1978, т, 28, вып. 6, с. 351-355.

Eremenko V.×., Kharchenko N.P., Belyi L. I: I1agnetoopti cs of antif erromagnets. Physics Peports. — Rev.

Sect. Phys. Lett, 1 .87, v. 155, N 6, р. 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 топографирования 180-градусных антиферромагнитных (АФМ) доменов прозрачных АФМ кристаллов.

Цель изобретения — повьппение эффективности топографирования 180-градусных доменов в антиферромагнитных кристаллах без центра антиинверсии.

На фиг. 1 показана оптическая схе ма, позволяющая предлагаемым сп сованию материалов оптическжчи метода-, ми. Цель изобретения — повьппение эффективности. Для этого в устройстве, содержащем источник света и расположенные по ходу луча линейньп поляризатор, апертурную диафрагму. конденсор, источник магнитного поля, держатель образца, объектив, анализатор и фоточувствительный детектор, источник магнитного поля выполнен с возможностью ориентации напряженности маг п тыого поля во взаимно перпендикулярных направлениях, введена между объективом и анализатором четвертьволновая пластина. При этом четвертьволновая пластинка и линейн п» анализатор выполнены

Q в одной оправе с возможностью их пово- Ж рота друг относительно друга, а также совместного вращения, а апертурная ди-. афрагма выполнена в виде коноскопи- ( ческой фигуры исследуемого кристалла, с возможностью перемещения в плоскос- ф ти, перпендикулярной направлению распространения света, 2 ил., 1 табл. бом наблюдать 180-градусные АФМ домены; на фиг., 2 — держатель фототранспаранта, соответствующего коноскоппческой фигуре исследуемого объекта.

Устройство (фпг. 1) содержит источник 1 света и расноложенные 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, составленньп из двух элект— рически соединенных секций, позволяю1573440 щий ориентировать магнитное поле по направлению света или перпендикулярно к нему путем перестановки секций соленоида таким образом, чтобы общая

5 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 вращаться, при этом угол между направлением поляризации быстрой световой вол.ны в четвертьвалновой пластинке и нап-15 равлением поляризации анализатора мо1 жет принимать любые значения между 0 ,и 90 . Предусмотрена также светоделительная пластинка 13 и фотоа 1парат 14.

Для получения более контрастного

:изображения в устройстве вместо апертурной диафрагмы 4 (фиг. 1) введены сменные диафрагмы-вкладьппи (фиг. 2), выполненные в виде фототранспарантов, которые представляют собой негативные 25 изображения коноскопических фигур исследуемых объектов. Держатель диафрагм-вкладьппей состоит из рамы 15, по направляюпплм которой с помощью винтов

16 перемещают платформы 17 и 18. Люфт 3р в платформах убирается пружинами 19.

Совмещение изображения фототранспаранта с коноскопической фигурой объекта осуществляют перемещением диафрагмывкладьппа перпендикулярно направлeнию света и перемещением объектива 9.

Контроль за совмещением коноскопической фигуры и изображения фототранспаранта производится визуально с помоцью полупрозрачного зеркала и окуляра. По-4р въппение контраста в устройстве обусловлено тем, что при совмещении коноскопической фигуры кристалла с изображением фототранспаранта в отсутствие магнитного поля происходит уменьшение л5 поляризационного фона. Этот фон может быть вызван случайным распределением двупреломления из-за остаточных или наведенных напряжений в кристалле.

Увеличение разрешающей способности 0 устройства связано с увеличением апертурного угла диафрагмы 4 (фиг.1).

Алертурный угол диафрагмы-вкладьппа больше по сравнению с обычной диафрагмой в виде круглого отверстия. Для

55 изменения угла конуса лучей света конденсор 5 (фиг. 1) выполнен в виде трансфокатора с изменяющимся фокусным расстоянием.

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 трубок. 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 12.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 антисиммет-! рии (1 ), т,е., операция симметрии оцновременного. изменения координат (1 ) и времени (1 ), 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 линейного по напряженности магнитного поля двупреломление линейно поляризованного света и соответствующего сдвига фаз между световыми модами +d знак которого при фиксированном направлении магнитного поля определяется антиферромагнитными состояниями АФМ и АФМ

Здесь АФМ и АФМ состояния обозначают АФМ-е состояния с противоположно

5 15?34 направленными АФМ векторами L . Дпя двухподрешеточного АФМ-ка вектор

L = Й, — H, где М, и M — 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 кристаллографических осей кристалла.

Например, для антиферроиагнетиков с магнитной симметрией 4 22 наиболее четко проявляется эффект двупреломления при расположении вектора напряженности магнитного поля вдоль направ25 ления распространения света, а кристаллографической оси Z параллельно направлениям поля и света Изменение направления ЛФМ вектора на противоположное при фиксированных величине и направлении внешнего магнитного поля привоцит к изменению знака линейного двупрелоиления линейно поляризованного света, Это обстоятельство цает возможность различать состояние АФМ крис-35 талла с противоположно ориентированными АФМ векторами.

В отсутствие магнитного поля оптическая индикатриса кристалла представляет собой эллипсоид вращения, ось 4" 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 1..

Поэтому при нормальном падении света на пластинку кристалла, вырезанную перпендикулярно оси С, он выглядит 50 темным в скрещенных поляризаторах, и домены оптически неразличимы. Воздействие на кристалл магнитного поля Й JI (1(0011 приводит к деформации оптической индикатрисы и к понижению оптического 55 класса от оптически одноосного к двуосному. Однако и в этом случае при нормальном падении света на кристалл доменная структура в скрещенных поля40 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 доменаии создается с помощью четверть. волновой пластинки. Азимут четЮертьволновой пластинки выбирается таким,чтобы при ориентации оси пропуска шя линейного анализатора параллельно оси четвертьволновой пластинки ЛФМ домены при визуальном наблюдении имели одинаковую оптическую плотность. Затем поворотои анализатора вокруг оси, совпадающей с вектором распространения света К, по часовой или против часовой стрелки домена добиваются затемнения одного или второго АФМ домена.

На примере того же антиферромагнетика с иагнитной симметрией 4 22 рассмотрим эффект поворота осей оптической инцикатрисы в магнитном поле.

Этот эффект проявляется при расположешш кристаллографической оси Е перпендикулярно одинаково направленным вектораи напряженности магнитного поля и направления распространения света, Изменение ориентации АФМ вектора на противоположное при фиксированных величине и направления магнитного поля приводит к изменению направления поворота осей оптической инцпкатрисы и, следовательно, к изменению параметров эллипса поляризации регистрирующего света, Различие параметров эллипсов поляризации света, вышедшего из АФМ доиенов, позволяет создать оптическвй контраст цля наблюдения доменов.

В отсутствие иа""íèòíoão поля сечение оптической индпкатрисы плоскостью, перпендикулярной направлению распространения света К17., является эллипсом, которьп имеет .одинаковые параметры для доменов с противоположныии направления ш АФМ векторов Г. Поэтому домены неразличимы., Воздействие на кристалл магнитного поля 1i(((0011 приводит к противоположно направленным поворотам оптической индикатрисы в каждом из доменов.

В обцем случае слабьп) контраст между доменаии иожно получить без чет- ., вертьвол овой пластинки с помощью по1573440 ворота. анализатора. Однако для повышения контраста необходима четвертьволновая пластинка. В симметричном случае, т.е. когда совпадает азимут поляризованного света с осью Е, опти- 5 ческий контраст можно получить только при наличии четвертьволновой пластинки. совмещают с осью поляризатора и поворотом анализатора добиваются затемчения одного или второго АФИ до-

10 мена.

Введение в предлагаемое устройство источника магнитного поля и относительная ориентация векторов напряжен-!

5 ности магнитного поля Н, направления распространения света К и оси крис.талла (таблица 1), а также введение . четвертьволновой пластинки и.соответствующая ориентация ее относительно

20 анализатора или совместно с ним обеспечивает возможность наблюдения 180градусных АФМ доменов.

В качестве примера, для топографи ования 180-градусных АФМ доменов выб-25 ран кристалл с магнитной Лауэ группой

4 22 (таблица), К этой группе относится двухподрешеточный АФМ кристалл

СоГ . Выберем для визуализации домеов продольную геометрию опыта, при оторой направление магнитного поля, вета и оси высокого порядка (ось С для СоГ ) совпадает {ЙII К II С, ), В этой геометрии опыта наблюдение доменов осуществляется за счет возникновения в магнитном Поле двупреломления линейно поляризованного света линейного по полю.

Пластинка кристапла вырезана перпендикулярно кристаллографической оси С

40 и имеет площадь 10 мм при толщине

1,7 мм. Эта пластинка помещена в рабочий объем соленоида и с помощью хладопровода охлаждена в кристалле до температуры 24 К. Плоскость поляризации света с длиной волны (400+20) нм ориентировалась вдоль направления 110) кристалла. 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 осйй. Четвертьволновую пластинку устанавливают в такое положение, чтобы домены имели одинаковую оптическую плотность при ориентации анализатора параллельно пластинке.3атем поворотом анализатора влево или вправо добиваются затемнения одного или второго АФМ домена и далее доменную картину регистрируют на фотопленку. В способе топографирования 180градусных АФИ доменов контраст между доменами при установке поляризованньгх элементов по схеме устройства был достаточен для- визуализации АФМ доменов в поле 0,5 кЭ. Время экспозиции доменов на фотопленку не превышало i с, разрешение составляет около 3 мкм.

Топографирование АФМ доменов позволяет исследовать домены в статическом и динамическом режимах, выявлять изменение АФМ доменной структуры, вызваннь".е другими причинами (температурой, механическими напряжениями, действием магнитных полей и т.д.), 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, объ ктив, анализатор, фоточувствительный детектор, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности топографирования

180-градусных доменов в антиферромагнитных кристаллах без центра антиинверсии, источник магнитного поля выполнен с возможностью ориентации напряженности магнитного поля Во вза— имно 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 коноскопической фигуры исследуемого кристалла и установлена с возможностью перемещения в плоскости, перпенцикупярной к направлению распространения света.

1573440

ИспольВзаимная ориентация вектора распространения света, напряженности магнитного поля и кристаллографических осей Х, Y H Z

Магнитная группа

Лауэ оптического эффекта

Rl(Х Н; К IIY I(H; 222

К((2НИ

Г((1":

Поворот осей оптической

422

4 22

К ((Х I(Н

K IIYlI Й индикатрисы

32

622

K I(X, и IIY;

F I(Y, Й ((Х

Н J.Ê

Йп Х

4 22

Сдвиг фаз между световыми

KП" ((Н;

КIIХI(Г((H; KlIYIIH

Z II H модами

HI K

К ПЕ; HI(Xp

KflZ; Н IIY;

4 22

Я 17 70 72 7Ф зуемое проявле-. ние линейного магнитоВзаимная ориентация векторов напряженности магнитного поля

Й и направле-. ния распространения света

У

1:. (((XY); Н П 2

23

4 32

32

6 22

Магнитные классы антиферромагнитных кристаллов

222, шпР, mmm

4, 4, 4 /m

422, 4 mm, 42 m, 4/mmm

4 2 ш, 4/mmm

32, Зп(, 3 ш

622, 6 ппп, 6 m2 б/mmm

4, 4, 4 /m

4 2 ш, 4 /пппш

23, m3

4 32, 4 Зm, mЗ m

32, 3 m, 3 тп

6 /mmm

4 22, 4 mm 4 2 m

4 2 m, 4 /mmm

1573440

Корректор С. Неш;ун

Редактор H. Яцола

Заказ 1642

Тираж 468

Подписное

ВНИИПЛ Государственного ком тета чо изобретениям и открытиям при ГКПТ СССР

113035, Москва, И-35, Раушская наб,, д. 4/S

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

Составитель В. Коледон

Техред Л.Сердюкова

foal