【《物质磁性和磁光效应研究概述》3700字】

物质磁性和磁光效应研究概述目录TOC\o"1-3"\h\u32309物质磁性和磁光效应研究概述 1161241.1磁性的来源 1134421.2物质按磁性的分类 165451.3磁光效应 34588参考文献 51.1磁性的来源所有物质都有磁性，无论其处于什么状态，晶态、非晶态，固态、液态、气态，无论其处于什么压力温度条件下，区别在于物质磁性的大小不同。强磁性材料的应用越来越广，推动着科技的发展。物质的磁性来源于原子磁矩，物质表现出来的宏观磁性与其内部的原子结构密切相关[12]。众所周知，物质由原子构成，原子内部由原子核及电子构成。旋转的电子会产生磁矩，因此原子内部的电子会产生电子轨道磁矩和电子自旋磁矩，而原子核也具有磁矩，但因太小，对磁性几乎起不到任何作用，所以原子的磁矩主要来源于电子轨道磁矩和电子自旋磁矩。1.2物质按磁性的分类当物体放在磁场中时，会被磁化，其磁化强度M和磁场强度H有如下关系:M=χH公式(1-1)式中χ为物体的磁化率。被磁化的物体称为磁性物体，其性质有很大不同，可根据其磁化率的大小和符号将磁性分为五类，如图1-1所示：图1-1五类磁性物质的磁矩排列示意图(a)抗磁性物质（b）顺磁性物质（c）铁磁性物质（d）反铁磁性物质（e）亚铁磁性物质1.2.1抗磁性抗磁性是一种微弱的磁性，抗磁性物质在外部磁场中产生的磁化强度与外部磁场方向相反，磁化率χ＜0，其数值一般为10-7~10-4数量级。抗磁性产生的机理是：当外部磁场穿过电子轨道时，所引发的电磁感应会使轨道电子加速运动，而轨道电子加速运动所引起的磁通，与外部磁场的方向相反，因此磁化率为负值。抗磁性普遍存在，所有物体在外部磁场作用下都会产生抗磁性，只不过大多数物质的抗磁性会被其自身的顺磁性所覆盖，只有当物体不具有固有原子磁矩时，抗磁性才会表现出来。抗磁性物质主要包括Bi、Zn、Ag、Mg等金属；Si、P、S等非金属；惰性气体；多数有机化合物。1.2.2顺磁性某些物体在外部磁场作用下，感生出与外部磁场方向相同的磁化强度，称为顺磁性物质。其磁化率大于0，数值通常为10-6~10-2数量级。这类磁性物质的固有原子磁矩处于无序状态，分布混乱从而相互抵消，因此在无外加磁场时，没有宏观磁性。当处于外部磁场中时，原子磁矩将沿外部磁场的方向排列，从而产生与外部磁场方向一致的磁化强度。多数顺磁性物质的χ与温度的关系遵循居里-外斯定律：χ=CT−式中C为居里温度，T为绝对温度，TP为临界温度，又称顺磁居里温度。1.2.3反铁磁性反铁磁性物质的磁化率在温度较低时，随温度的增加而增大，当温度达到TN时，其磁化率随温度的增加而减小，与顺磁性物质相似，因此反铁磁性物质的磁化率存在一个极大值。临界温度TN由奈尔发现，被命名为奈尔温度，奈尔温度TN一般远低于室温。反铁磁性物质大多数为离子化合物，反铁磁性金属主要为铬和锰。1.2.4铁磁性铁磁性是一种强磁性，其来源于物质内部的原子磁矩按区域自发平行取向。铁磁性物质在较弱的外部磁场下，就能被磁化到饱和，具有很强的磁性，其磁化率χ>0，且数值很大，一般为101~106数量级，磁化率χ随温度和外部磁场的变化而变化。当温度低于临界温度时，物质呈铁磁性，当温度高于临界温度时，物质呈顺磁性，该临界温度称为居里温度。铁磁性物质主要为铁钴镍及其合金，以及少数铁族元素化合物和少数稀土元素化合物。1.2.5亚铁磁性亚铁磁性物质与铁磁性物质的宏观磁性相同，当温度低于居里温度时，存在按磁畴分布的自发磁化现象，能被磁化到饱和，当温度高于居里温度时，自发磁化会消失，只呈现出顺磁性。亚铁磁材料的磁化率要小于铁磁性的，大约为100~103数量级，其内部的磁结构与反铁磁性的相同，原子磁矩反向平行排列，但大小不同，使得磁矩未能完全抵消。铁氧体是典型的亚铁磁性材料，如：LaFeO3、Y3Fe5O12、BaFe12O19、Fe3O4等。1.3磁光效应在外磁场的作用下，具有固有原子磁矩物质的电磁特性会发生变化，从而导致光在其内部的传输特性也发生变化的现象称为磁光效应[13]。本质上是光与被磁化的物质之间的相互作用[14-19]。磁光效应一般包括：法拉第效应[20,21]、克尔效应[22]、磁致线双折射效应[23]、塞曼效应[24,25]等。1.3.1法拉第效应如图1-2，当线偏振光通过至于磁场中的介质时，其偏振面会发生旋转的现象称为磁致旋光效应，由法拉第最早发现，因此也被称为法拉第效应。其本质上是由于磁性离子或原子的光跃迁导致旋转方向相反的两个圆偏振波旋转的速度不同，从而产生色散差，使偏振面的方向发生改变。能使得线偏振光透过后偏振面发生旋转的物质称为旋光物质，旋光物质又可分为左旋物质和右旋物质。一般的旋光物质为互易性旋光物质，指的是当线偏振光从正反两个方向透过旋光物质时，其偏振面的旋转方向也是相反的。偏振面的旋转角度θ与外加磁场H之间的关系为：θ=VHL 公式(1-3)式中L为光通过磁光介质的有效光呈，V为费尔德常数，其与材料自身性质及光波频率有关[26-28]。利用法拉第效应原理可制作光隔离器、偏转器、磁光开关和环形器等磁光器件。图1-2法拉第磁光效应1.3.2克尔效应克尔效应指的是当一束偏振光在传播过程中，被磁化的物质表面反射后，反射光的偏振面相比于入射光的偏转面发生了一定角度旋转的现象，而旋转的角度称为克尔角。根据磁化强度矢量M方向、光入射面及界面之间的关系，可将克尔效应分为三种：极向克尔效应、纵向克尔效应及横向克尔效应[29-31]，如图1-3：图1-3克尔效应纵向克尔效应：磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面。极向克尔效应：磁化强度与介质表面垂直。横向克尔效应：磁化强度与介质表面平行。克尔效应主要应用在观察铁磁材料中的磁畴，不同的磁畴其自发磁化方向不同，从而引起反射光的偏振面旋转角度不同，通过偏振片观察反射光时，能观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。另外，克尔效应在磁光全息存储技术中也有重要应用。1.3.3磁致线双折射效应当介质处于磁场中，光以不同于磁场的方向通过时，会产生双折射现象称为磁致线双折射效应。而磁致线双折射效应又分为科顿-穆顿效应和瓦格特效应，通常情况下将铁磁及亚铁磁介质中的磁致线双折射效应称为科顿-穆顿效应，将反铁磁介质中的磁致线双折射效应称为瓦格特效应。1.3.4塞曼效应1896年，荷兰物理学家塞曼发现，光源在强磁场的作用下会发生原子能级分裂，从而导致光谱线也发生分裂，这一现象称为塞曼效应。分裂谱线之间的间隔与磁场强度有关，分裂而成的条数与电子能级的种类有关。洛伦兹在经典电磁理论的基础上，对塞曼效应做出了理论解释。原子光谱线在磁场作用下分裂成三条时，称为正常塞曼效应，当分裂成三条以上时，称为反常塞曼效应。塞曼效应验证了光的电磁理论，同时也证实了原子磁矩的空间量子化，是一重大的物理学发现。参考文献[1]张怀武,薛刚.新一代磁光材料及器件研究进展[J].中国材料进展,2009.[2]房旭龙,杨青慧,张怀武.磁光材料及其在磁光开关中的应用[J].磁性材料及器件,2013,1.[3]尹自强.基于磁光波导的磁光开关的研制[D].电子科技大学,2009.[4]CasteraJP,HepnerG.IsolatorinintegratedopticsusingFaradayandCotton-Moutoneffects[J].AppliedOptics,1977,16(8):2031-2033.[5]ShintakuT,UnoT.Opticalwaveguideisolatorbasedonnonreciprocalradiation[J].JournalofAppliedPhysics,1994,76(12):8155-8159.[6]SugimotoN,ShintakuT,TateA,etal.Waveguidepolarization-independentopticalcirculator[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,1999,11(3):355-357.[7]郭继华,朱兆明.新型磁光调制器[J].光学学报,2000,20(1):110-113.[8]欧中华,李立芳,代志勇,等.集磁式光纤电流传感器的研究[D].光学与光电技术,2008.[9]NakamuraH,OhmiF,KanekoY,etal.Cobalt‐titaniumsubstitutedbariumferritefilmsformagneto‐opticalmemory[J].JournalofAppliedPhysics,1987,61(8):3346-3348.[10]DangZM,LinYH,NanCW.Novelferroelectricpolymercompositeswithhighdielectricconstants[J].AdvancedMaterials,2003,15(19):1625-1629.[11]SchmidH.Multi-ferroicmagnetoelectrics[J].Ferroelectrics,1994,162(1):317-338.[12]WellsBO.KannanM.Krishnan:FundamentalsandApplicationsofMagneticMaterials1stEdition[J].JournalofMaterialsScience,2017,52(12):6905-6906.[13]WeinbergerP.FaradayandthePhilosophicalMagazine[J].PhilosophicalMagazine,2013,93(13):1455-1467.[14]AwanoH,OhnukiS,ShiraiH,etal.Magneticdomainexpansionreadoutforamplificationofanultrahighdensitymagneto‐opticalrecordingsignal[J].Appliedphysicsletters,1996,69(27):4257-4259.[15]刘公强,乐志强,沈德芳.磁光学.上海:科学技术出版社,2000,10-50．[16]ScottGB,LacklisonDE,RalphHI,etal.MagneticcirculardichroismandFaradayrotationspectraofY3Fe5O12[J].PhysicalReviewB,1975,12(7):2562.[17]BoothRC,WhiteEAD.Magneto-opticpropertiesofrareearthirongarnetcrystalsinthewavelengthrange1.1-1.7μmandtheiruseindevicefabrication[J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,1984,17(3):579.[18]缪秀平.磁光效应及其应用[J].科教导刊(上旬刊),2011.[19]HouP,ZhongZ,ZhangB.AnalysisandoptimizationofradialsmoothingbasedonopticalKerreffectforirradiationimprovement[J].Optics&LaserTechnology,2016,85:48-54.[20]VasylievV,MolinaP,NakamuraM,etal.Magneto-opticalpropertiesofTb0.81Ca0.19F2.81andTb0.76Sr0.24F2.76singlecrystals[J].OpticalMaterials,2011,33(11):1710-1714.[21]YoshinoT.SimpletheoryoftheinverseFaradayeffectwithrelationshiptoopticalconstantsNandK[J].Journalofmagnetismandmagneticmaterials,2011,323(20):2531-2532.[22]张振彬,许启明,杨永明.基于磁光克尔效应的磁畴观测与处理系统[J].磁性材料及器件,2010,2.[23]周静,王选章,谢文广.磁光效应及其应用[J].现代物理知识,2005(05):45-47.[24]周惟公.大学物理实验[M].北京:高等教育出版社,

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