Создание устройства для наблюдения «живой» доменной структуры в ферромагнитных плёнках

Актуальность

Нет другого такого физического эффекта, который бы применялся в столь далёких друг от друга областях науки и техники, как эффект, открытый Майклом Фарадеем в 1845 году. Спектр его современного применения поражает. С появлением новых материалов в исследовании их свойств всегда находится область применения эффекта, открытого уже более 170 лет назад! Гигантский эффект Фарадея недавно зарегистрирован в слоях графена.

К примеру, эффект Фарадея используется

• в микроэлектронике;
• при создании компьютерной техники – в системах записи и хранения информации;
• в лазерной технике для защиты резонаторов лазерных передатчиков от отражённых сигналов в обратном направлении;
• в оптических линиях связи – для защиты источников от отражённых сигналов, а также как входной элемент оптических усилителей.

Цель

Разработать оптическую схему и создать портативное устройство для наблюдения в тонких ферромагнитных плёнках за особенностями доменной структуры и её динамики в изменяющемся магнитном поле.

Задачи

1. Познакомиться с научной литературой по магнитооптическому эффекту Фарадея.
2. Освоить работу устройств, поляризующих свет, ознакомиться с поляризаторами.
3. Рассчитать параметры и изготовить управляемый источник магнитного поля –электромагнит (катушка с обмоткой медным проводом).
4. Научиться получать увеличенное изображение объекта с помощью микрообъектива (микроскопа) визуально и с помощью USB-камеры.
5. Оптимизировать простой школьный микроскоп под поставленную задачу.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Персональный компьютер с установленным ПО
• 3D-принтер с пластиком PLA
• Светодиод (источник света)
• Поляризатор (плёнка-полароид от сломанного жидкокристаллического индикатора старого калькулятора)
• Пластиковая оправка с отверстием, в котором закреплён исследуемый образец ферромагнитной плёнки
• Самодельный электромагнит (катушка с обмоткой из медного провода) для создания внешнего магнитного поля
• Простейший микроскоп школьника с набором переключаемых микрообъективов
• Установленная на микроскоп цифровая WEB-камера
• Поляризатор-анализатор
• Усилитель переменного тока – старая компьютерная колонка, на которую подавался сигнал со звукового выхода смартфона

Описание

На начальном этапе автор познакомился с научной литературой по магнитооптическому эффекту Фарадея и поляризаторами, освоил работу поляризаторов. Для получения поляризованного оптического излучения из излучения с произвольным состоянием поляризации использовал устройство поляризатор. Поляризованный свет широко применяется в светотехнике, астрофизике, спектроскопии, медицине, геологии, минералогии, кристаллографии и т. д. В качестве поляризатора может быть использован поляроид, который представляет собой особую тонкую кристаллическую плёнку, нанесённую на прозрачную подложку, например, солнцезащитные очки.

Далее авторы изучили ферромагнентик и домены. Ферромагнетики – это особый класс магнетиков, способных обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля (спонтанная намагниченность). Отметим, что ферромагнетизм присущ веществам лишь в кристаллическом состоянии. Самыми известными примерами ферромагнетиков являются железо, кобальт, соединения хрома. Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам, при этом их намагниченность зависит от напряжённости внешнего магнитного поля и может достигать насыщения.

Объём тонкоплёночного ферромагнетика при температуре ниже точки Кюри в магнитном отношении представляет собой множество маленьких макроскопических областей, и каждая из них является спонтанно намагниченной в одном из двух противоположных направлений перпендикулярно поверхности плёнки. Области с заданным направлением намагниченности получили название доменов. Домены направлены хаотично при обычных условиях. Тело в общем не является намагниченным, намагниченность возникает при помещении тела в сильное магнитное поле.

На следующем этапе авторы познакомились с магнитооптическим эффектом Фарадея, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается поворот плоскости поляризации света на угол, называемый углом Фарадея.

Линейно поляризованный свет можно представить как результат сложения света с круговой поляризацией по левому (красная) и правому кругу (зелёная). Внешнее магнитное поле в нашем образце вызывает различие в скоростях распространения лево- и право-поляризованного по кругу света.

Когда такой свет проходит через среду в осевом магнитном поле, его свойства меняются, поскольку одна из круговых компонент замедляется в материале больше, чем другая. Таким образом, изменяя величину и частоту подаваемого на электромагнит переменного напряжения, мы можем «вживую» наблюдать «жизнь» магнитных доменов.

Далее автор изготовил управляемый источник магнитного поля – электромагнит (катушка с обмоткой медным проводом) и подготовил экспериментальную установку для выполнения практической работы, позволяющую непосредственно наблюдать магнитные домены и их динамику в прозрачных ферромагнитных материалах (эффект Фарадея).

В рассматриваемом эксперименте поляризация света в образце при проходе через домены со спонтанной намагниченностью в одну сторону поворачивается на угол Фарадея (?_?=5°), визуально вызывая затемнение областей, занятых этими доменами . Результат эксперимента показал, если поместить образец во внешнее продольное магнитное поле, создаваемое электромагнитом или постоянным магнитом, произойдёт намагничивание образца, при этом одни домены уменьшатся в размерах, а другие – увеличатся. При дальнейшем увеличении магнитного поля можно добиться насыщения намагниченности образца.

В работе автором исследовалась доменная структура в магнитной плёнке (толщиной 1 мкм) висмут-содержащего галлий-гадолиниевого граната на гадолиниевой подложке. Плёнка прозрачна в видимой области спектра и обладает ярко выраженными ферромагнитными свойствами. Образец как целое имеет вид тонкой пластины (0,5×5×3мм), в которой магнитные домены образуют лабиринт областей с двумя противоположными направлениями спонтанной намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля образец не намагничен, так как объёмы доменов, имеющих спонтанную намагниченность «вверх» и «вниз», равны. Образец установлен в специально напечатанную на 3D-принтере оправку.

Подбирая изменяющееся во времени внешнее магнитное поле, авторы наблюдали переход от «идеального порядка» к «полному беспорядку» (хаосу) в системе доменов, и, наоборот, зарождение «порядка» на фоне хаоса, например, в виде довольно устойчивых многооборотных спиральных структур.

Для имеющегося образца выявлено, что существуют диапазоны частот переменного магнитного поля, в пределах которых доменная структура является наиболее чувствительной к очень слабым полям, издалека реагирует (структура доменов перестраивается) на подносимый постоянный магнит.

Результаты работы/выводы

В результате работы над проектом была создана простая малогабаритная установка для наблюдения за динамикой доменной структуры в тонких плёнках ферромагнетика, основанная на эффекте Фарадея. Был найден оптимальный угол взаимного поворота поляризаторов, обеспечивающий наибольший контраст наблюдаемой доменной структуры. Проведены наблюдения за влиянием постоянного и переменного (синусоидально изменяющегося) магнитного поля на размеры и поведение отдельных доменов и доменной структуры в целом в пределах поля зрения микроскопа.

Перспективы использования результатов работы

Планом дальнейшего развития проекта является создание микропроцессорного блока для программного цифрового управления постоянным и переменным полями на базе Ардуино. Это необходимо для обеспечения возможности измерения и более детального анализа параметров, отвечающих за изменение доменной структуры.