Аномальная магнитная восприимчивость ферромагнетиков в оптическом диапазоне частот

Диплом на открытие N175,
авторы: Г.С. Кринчик, М.В. Четкин

27 мая 1976 г. открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР за N 175 c приоритетом от 17 марта 1961 г. и с формулой в следующей редакции: "Установлено неизвестное ранее явление аномальной магнитной восприимчивости ферромагнетиков в оптическом диапазоне частот, заключающееся в том, что магнитное поле световой волны вызывает аномально большую прецессию магнитного момента ферромагнетиков, приводящую к их бигиротропии и к частотно-независимому вращению плоскости поляризации света".

Долгое время считалось, что ферромагнитные вещества непрозрачны для радиоволн и света. В середине 40-х годов были получены ферромагнитные поликристаллы прозрачные для радиоволн, в конце 50-х - ферромагнитные монокристаллы прозрачные для видимого и инфракрасного света. В это же время в физике магнитных явлений возникло новое направление - оптика прозрачных ферромагнитных кристаллов. В становлении оптики ферромагнетиков существенную роль сыграли работы по исследованию прозрачных ферромагнетиков оптическими методами, выполненные на кафедре магнетизма физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова профессором Г.С.Кринчиком и старшим научным сотрудником М.В.Четкиным. Эти исследования привели к коренному изменению существовавших ранее представлений о роли магнитной восприимчивости ферромагнетиков на оптических частотах. Высокочастотные свойства всех тел, в том числе и ферромагнитных, описываются с помощью диэлектрической и магнитной восприимчивостей, причем раньше считалось, и утверждение это вошло в учебники, что магнитная восприимчивость ферромагнетиков на оптических частотах равно нулю, как и магнитная восприимчивость пустоты. Считалось, что "не имеет смысла пользоваться магнитной проницаемостью уже начиная с оптической области частот и при рассмотрении соответствующих явлений надо полагать =1. Фактически же учет отличия от 1 является превышением точности для большинства явлений уже при частотах, гораздо более низких, чем оптические". Это означало, что ферромагнетик под действием света должен вести себя подобно вакууму, его нельзя намагнитить магнитным полем световой волны. Другими словами, коэффициент пропорциональности между напряженностью магнитного поля световой волны и магнитным моментом ферромагнетика равен нулю. Опыты Г.С.Кринчика и М.В.Четкина по исследованию эффекта Фарадея, выполненные на оптически прозрачных ферромагнетиках показали, что это не так. Авторами было доказано, что магнитное поле световой волны намагничивает ферромагнетик: заставляет магнитный момент ферромагнетика прецессировать вокруг направления постоянного магнитного поля с частотой световой волны, т.е. 1014 раз в секунду. Эта прецессия магнитного момента с оптической частотой приводит к существованию целого ряда новых физических явлений в прозрачных ферромагнетиках. При прохождении линейно поляризованной световой волны через прозрачный ферромагнетик направление электрического поля этой волны непрерывно меняется, - существует, так называемое, вращение плоскости поляризации. Это вращение в неферромагнитных веществах известно давно, эффект Фарадея открыт в середине XIX века. Оно велико в ультрафиолетовой области спектра и с продвижением в видимую и инфракрасную области спектра резко стремится к нулю.

С 1960 г. на физическом факультете МГУ Г.С.Кринчиком и М.В.Четкиным были проведены экспериментальные исследования эффекта Фарадея в прозрачных ферромагнетиках - монокристаллах ферритов-гранатов. Было установлено, что с ростом длины волны эффект Фарадея сначала уменьшается обратно пропорционально квадрату длины волны, а затем не зависит от нее и составляет в различных ферритах-гранатах от нескольких десятков до сотен градусов на сантиметр в области их максимальной прозрачности. Этот результат не имеет аналогов в оптике: постоянная Верде и естественная оптическая активность стремятся к нулю с ростом длины волны света. Знак частотно-независимого вращения плоскости поляризации положителен и не связан со знаком этого вращения в видимой области спектра. Было показано, что частотно-независимый эффект Фарадея обусловлен недиагональной компонентой тензора магнитной проницаемости ферромагнетика на оптических частотах, полученной из уравнения движения магнитного момента Ландау-Лифшица. Была экспериментально определена недиагональная компонента тензора магнитной проницаемости ферритов-гранатов на оптических частотах. В ближней инфракрасной области спектра вклады в эффект Фарадея, обусловленные недиагональными компонентами тензоров и , примерно одинаковы, и в этой области ферриты-гранаты являются бигиротропными средами. К настоящему времени частотно-независимый эффект Фарадея обнаружен практически во всех прозрачных ферромагнетиках. Данные, полученные в МГУ, подтверждены в ряде работ отечественных и зарубежных авторов, они вошли в обзоры, монографии и учебники по электродинамике, в книги по теории магнетизма и курсы теоретической физики. Во второе издание книги Р.Уайта "Квантовая теория магнетизма" включен новый параграф об эффекте Фарадея, обусловленном магнитной восприимчивостью ферромагнетиков на оптических частотах. В параграф о дисперсии магнитной проницаемости книги "Электродинамика сплошных сред" Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица включена задача о вычислении компонент тензора магнитной проницаемости на частотах, существенно превышающих частоту ферромагнитного резонанса. Таким образом, в настоящее время общепринято, что магнитная проницаемость ферромагнетиков на оптических частотах не является единичным тензором, как считалось раньше, а имеет значительные недиагональные компоненты, приводящие к существованию большого частотно-независимого вращения плоскости поляризации в области спектра, где прозрачность ферромагнетиков весьма велика. Для ферритов-гранатов эта область - 1,1 - 7 мкм, для некоторых шпинелей от 1,2 до 18 мкм. В указанных диапазонах работает большое число лазеров и волоконно-оптические системы связи. Магнитооптические модуляторы света, оптические изоляторы и невзаимные устройства, основанные на использовании вращения плоскости поляризации, нашли применение в указанных системах и в других областях современной техники.

Заведующий кафедрой магнетизма
профессор А.В. Ведяев