Aufgabenstellung: Untersuchen Sie die magnetische Hysterese einer magnetischen Dünnschichtprobe. Bestimmen Sie die Koerzitivfeldstärke. Stichworte zur Vorbereitung: optische Abbildung, Mikroskop, Polarisation, magnetische Flussdichte, Magnetisierung, Hysterese, Koerzitivfeldstärke, Remanenzmagnetisierung, magnetische Flussdichte einer Spule, Hall-Sonde, Literatur: W. Schenk, F. Kremer Physikalisches Praktikum, 13. Auflage, Kap. 1.3, Kap. 2.0.3 und Kap. 4, Teubner Verlag 2011 Eichler, Kronfeldt, Sahm Das Neue Physikalische Grundpraktikum, 2. Auflage, Kap. 28, Kap. 35., Kap. 41, Springer Verlag 2006 W. Demtröder Experimentalphysik 2, Elektrizität und Optik, 2. Auflage Kapitel 7.4 Polarisation elektromagnetischer Wellen Kapitel 3.5 Materie im Magnetfeld, Springer Verlag 1999 Abbildungen: A. Haßdenteufel, 2014. 23/12/2014 1/6
1. Theoretische Grundlagen Polarisation Im Rahmen der Wellenoptik wird Licht als transversale elektromagnetische Welle beschrieben. Die Vektoren der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Flußdichte stehen senkrecht aufeinander, die Schwingungen der Feldvektoren erfolgen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Vor dem Hintergrund dieser Verknüpfungen zwischen den Feldvektoren genügt es im Allgemeinen, eine der Feldgrößen zu betrachten. Im Allgemeinen gehen von einer Lichtquelle mehrere Wellenzüge aus, in denen die Schwingungsrichtungen der elektrischen Feldstärkevektoren zufällig verteilt sind - man spricht dann von unpolarisiertem Licht. An jedem durch die Lichtwelle passierten Ort gibt es zu jedem Zeitpunkt einen resultierenden Feldstärkevektor. Ein Polarisator besteht aus einem Material, das je nach Schwingungsrichtung unterschiedliche Brechzahlen aufweist. Derartige Materialien werden anisotrop genannt. Darüber hinaus wird eine Schwingungsrichtung nur gering absorbiert, die dazu senkrecht stehende Schwingungsrichtung sehr stark. In der Folge wird durch einen Polarisator tretendes unpolarisiertes Licht linear polarisiert, d.h. es tritt nur eine, durch den Polarisator bevorzugte Schwingungsrichtung auf. Überlagert man nun zwei senkrecht zueinander linear polarisierte Wellen gleicher Intensität mit einer Phasenverschiebung von ±!, so erhält man! zirkular polarisiertes Licht: Der resultierende Feldvektor dreht sich in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes. Ein Polarisator kann zur Erzeugung linear polarisierten Lichtes eingesetzt werden, er eignet sich aber auch zur Feststellung der Schwingungsrichtung von bereits linear polarisiertem Licht. In dieser Anwendung spricht man auch von einem Analysator - man zielt mit dieser Namensgebung jedoch ausschließlich auf den Anwendungszweck im konkreten optischen Aufbau, nicht auf eine besondere Bauform oder Funktionsweise ab. Ist die durch den Polarisator bevorzugte Schwingungsrichtung des elektrischen Feldstärkevektors um den Winkel α gegenüber der tatsächlichen Schwingungsrichtung des Lichtes verdreht, so wird vom betrachteten Feldvektor lediglich die Projektion E cos α durchgelassen. Nach dem Analysator schwingt der Feldvektor in Durchlassrichtung des Analysators. Da die Intensität I proportional zum Quadrat der Schwingungsamplitude des Feldvektors ist, folgt I = I! cos! α α!. (1) 23/12/2014 2/6
Gleichung (1) wird auch als das Gesetz von MALUS bezeichnet. Dabei sind I! die vom Analysator maximal durchgelassene Intensität, und α! ein Korrekturwinkel der Analysatorskala (es gilt: I α! = I! ). Drehung der Polarisationsebene und Faraday-Effekt Beim Durchgang linear polarisierten Lichtes durch einige Stoffe wird die Polarisationsebene gedreht. Diese Stoffe, wie z.b. Quarz oder Rohrzucker, heißen optisch aktiv. Ursächlich für die Polarisationsdrehung in optisch aktiven Materialien sind asymmetrische Molekül- und/oder Kristallgeometrien. Darüber hinaus kann auch ein magnetischer Fluss innerhalb eines Mediums für eine Drehung der Polarisationsebene sorgen. Dieser Effekt wurde erstmals 1845 von MICHAEL FARADAY beobachtet und als Nachweis der elektromagnetischen Natur des Lichtes gewertet. Der für den Effekt erforderliche magnetische Fluss wurde in Faradays Experimenten mit Hilfe externer Spulen erzeugt, kann jedoch durch eine Magnetisierung M im Material hervorgerufen sein. Abb. 1: Polarer Faraday-Effekt. Der polare FARADAY-Effekt tritt in einem Material auf, in dem eine Magnetisierung senkrecht zur Oberfläche vorliegt (Abb. 1). Eintreffendes linear polarisiertes Licht wird aufgrund der sich fortlaufend in ihrem Vorzeichen ändernden elektrischen Feldstärke Elektronen im Material zu einer Oszillationsbewegung in der Polarisationsebene (d.h. in der Ebene des elektrischen Feldes) anregen. Bei dieser Bewegung strahlen die Elektronen elektromagnetische Wellen ab, die in gleicher Weise polarisiert sind wie die Primärwelle. Im durch das Material hindurchtretende Licht 23/12/2014 3/6
bezeichnet man den wie ursprünglich polarisierten Anteil des Lichtes als reguläre Komponente. Aufgrund der Magnetisierung im Material wirkt auf die schwingenden Elektronen jedoch eine zusätzliche LORENTZkraft. Diese bewirkt auch eine Bewegungskomponente senkrecht zur Polarisationsebene des einfallenden Lichtes. In der Folge strahlen die Elektronen zusätzliche Elementarwellen mit Polarisation senkrecht zum ursprünglich einfallenden Licht ab. Die Superposition aller Elementarwellen führt zu einer Verdrehung der Polarisationsrichtung des Lichtes nach dem Material um θ!, die von der Magnetisierung abhängig ist. Faraday-Mikroskop Materialbereiche mit unterschiedlich starker bzw. unterschiedlich orientierter Magnetisierung verursachen unterschiedliche Faraday-Drehungen der Polarisierungsrichtung des durch das Material tretenden Lichtes. Offensichtlich werden von diesen Materialbereichen hinter einem Analysator unterschiedlich große Lichtintensitäten zu erwarten sein (Abb. 2). Um Informationen über die räumliche Größe und Anordnung der verschieden Magnetisierten Materialzonen erhalten zu können, wird die Ausnutzung des Faraday-Effektes mit optischer Mikroskopie kombiniert. Abb. 2: Prinzip der Kontrastentstehung bei der Abbildung im Faraday-Mikroskop. Abweichend von einem konventionellen Mikroskopaufbau ist dabei das Licht einer primären Lichtquelle zunächst linear zu polarisieren. Die Probenbeleuchtung geschieht in Transmission. In den weiteren Mikroskopstrahlengang wird schließlich zwischen Objektiv und Okularlinse der Analysator eingebracht. 2. Versuchsdurchführung Neben der Beschäftigung mit magneto-optischen Effekten ist das Vorgehen bei der Justage eines optischen Versuchsaufbaus wesentliches Ziel dieses Versuches. Gehen Sie beim Aufbau des 23/12/2014 4/6
Versuches überlegt vor, dokumentieren Sie Ihre Schritte im Versuchsprotokoll. Die Justage des Versuchsaufbaus wird Ihnen im Detail durch den Betreuer erläutert. Als primäre Lichtquelle dient ein He-Ne-Laser. Arbeiten Sie bei angeschaltetem Laserstrahl mit größter Vorsicht. Reflektierende Gegenstände, insbesondere Schmuck und Armbanduhren, sind abzulegen. Ein- und Ausbau von Komponenten in den Strahl ist nur bei abgeschaltetem Laser bzw. geschlossener Iris-Blende zulässig. Befolgen Sie die Sicherheitsanweisungen des Versuchsbetreuers. Justieren Sie den Laser zunächst so, dass der Laserstrahl parallel zur Optikschiene verläuft. Anschließend sind CCD-Kamera, Abbildungslinse, Objektiv und Probenträger in den Strahlengang zu bringen. Zuletzt wird der Analysator in Transmissionsstellung positioniert. Das vom Laser emittierte Licht ist bereits linear polarisiert, so dass auf den Polarisator verzichtet werden kann. Bilden Sie zunächst ein Objektmikrometer ab, und positionieren Sie die Komponenten so im Strahlengang, dass möglichst hohe Vergrößerung erzielt wird. Kalibrieren Sie die (horizontale und vertikale) Auflösung Ihres Bildes. Für die Untersuchungen zum magneto-optischen FARADAY-Effekt steht eine magnetische Dünnschichtprobe zur Verfügung. Diese ist bereits auf einem Probenträger montiert, an dem auch eine Spule befestigt ist. Nutzen Sie zunächst eine HALL-Sonde, um den Zusammenhang zwischen Spulenstrom und Magnetfeld am Probenort zu untersuchen. Berücksichtigen Sie dabei, dass das Feld der Spule symmetrisch ist: Das Feld am probenseitigen Ende der Spule ist betragsmäßig gleich dem an der probenfernen Seite. Bringen Sie nun die Probe in den Strahlengang und justieren Sie sie hinsichtlich des erreichbaren magnetischen Kontrastes. Zunächst ist hierzu für den Analysator die Stellung vollständiger Auslöschung ( Null-Transmission ) zu ermitteln. Des Weiteren ist die Richtung des externen Magnetfeldes zwischen den Justageschritten zu wechseln und auf einen hell/dunkel- Kontrastwechsel zu achten. Sättigen Sie anschließend die Probe bei maximalem externen Magnetfeld gemäß der Anweisungen Ihres Betreuers. Anschließend wird, bei festgehaltenem Bildausschnitt, das äußere Feld schrittweise variiert, und jeweils nach einer kurzen Wartezeit eine Bildaufnahme angefertigt. 23/12/2014 5/6
Der Spulenstrom ist von seinem Maximalwert I! auf den entgegengesetzt gleichen Wert I! und zurück zu verändern. Dokumentieren Sie Ihre gewählten Stromschritte und die Benennung der zugehörigen Bilddateien! 3. Hinweise zur Auswertung Die gewonnenen Abbildungen können zweckmäßig mit dem kostenfreien Bildanalyseprogramm IMAGEJ bearbeitet werden. Diese steht Ihnen auf dem Mess-PC zur Verfügung. Die Software ermöglicht beispielsweise die Vermessung von Abständen im Bild (und, mit der Vergrößerungskalibrierung anhand des Objektmikrometers, die Bestimmung von Strukturgrößen auf der untersuchten Probe) und die Bestimmung eines mittleren Grauwertes des Gesamten Bildes (und so eines Maßes für die Magnetisierung der Probe). Ermitteln Sie die relative Magnetisierung in Abhängigkeit vom externen Magnetfeld und stellen Sie die resultierende Hysteresekurve dar. Lesen Sie die Koerzitivfeldstärke für beide Feldrichtungen ab. Geben Sie für jede äußere Feldstärke eine charakteristische Größe der magnetischen Domänen an. Tragen Sie diese über dem äußeren Feld auf. 23/12/2014 6/6