Sådan styres lyset med et magnetfelt

Sådan styres lyset med et magnetfelt

V. Belotelov
"Kvant" №1, 2010

For nylig er ideen om at skabe optiske computere blevet mere og mere populær. Det understøttes på den ene side af det uudtømmelige stræben efter stadig større computerhastigheder og på den anden side af de fantastiske teknologier i moderne teknologi. For at kunne behandle og transmittere information ved hjælp af lys, det vil sige ved hjælp af fotoner, er det nødvendigt at lære at håndtere dem effektivt. Selvom fotonerne ikke har elektrisk ladning, giver tilstedeværelsen af ​​polarisering – retningen af ​​deres elektromagnetiske felt – noget håb for succes.

Lad os først frem til slutningen af ​​1800-tallet til laboratoriet hos den store engelske fysiker Michael Faraday – det er trods alt, at vores historie tager sin kilde.

"At magnetisere en stråle af lys og belyse en magnetfelt linje"

I mange århundreder er forskellige fysiske fænomener forbundet med mediumets magnetiske og optiske egenskaber blevet undersøgt uafhængigt. Lys har ledsaget menneskeheden siden starten, og magnetisme har været kendt siden oldtiden. Det var dog først i 1845, at M. Faraday lavede de første eksperimenter, som viste forbindelsen mellem disse fænomener.Dette skyldes dels, at de magneto-optiske virkninger under normale forhold er meget små, og deres opdagelse krævede fysisk intuition af et geni. Det er overraskende, at dette skete på et tidspunkt, hvor der ikke var nogen klar forståelse af arten af ​​de magnetiske egenskaber eller typen af ​​optiske fænomener, og når Maxwell-ligningerne endnu ikke var formuleret.

"Jeg har længe været af den opfattelse, at materiens forskellige former og kræfter er så tætte og beslægtede, at de kan omdanne til hinanden. Denne faste overbevisning fik mig til at gøre en masse forskning for at opdage forbindelsen mellem lys og elektricitet. Resultaterne var dog negative … "- så Faraday selv kommenterer sine oplevelser.

"Disse mislykkede undersøgelser kunne ikke ryste min faste overbevisning baseret på videnskabelige overvejelser. Derfor genoptog jeg for nylig forskning på meget fine og strenge principper, og til sidst lykkedes det mig at magnetisere og elektrificere en lysstråle og belyse en magnetfeltlinie. "

I ord "Magnetiser en stråle af lys" magnetfeltinduceret rotation af planet for polarisering af lys er den magneto-optiske Faraday-effekt.Derudover gør opmærksomhed og ord opmærksom på sig selv. "Belys magnetfeltlinjen"hinting på den mulige tilbagevendende effekt af lys på magnetisme. I Faradays eksperimenter blev dette fænomen ikke fundet, men disse ord indikerer, at den store fysiker faktisk forudsagde det. Virkningen af ​​lys på et stofs magnetiske egenskaber viste sig teoretisk meget senere. I 1960 viste den sovjetiske fysiker L. P. Pitaevskii, at lys, som besidder cirkulær polarisation, er i stand til at magnetisere det medium, som det lyser. Effekten kaldes den inverse Faraday-effekt.

Selvom den inverse Faraday-effekt også har stor praktisk betydning, vil denne artikel kun omhandle den direkte magneto-optiske effekt, fordi vores mål er at styre lyset ved hjælp af et magnetfelt.

Spin og polarisering af fotoner

Husk at vi kan tale om naturligt, det vil sige upolariseret lys, og vi kan også skelne mellem tre hovedpolariseringstilstande: flad, cirkulær og elliptisk polarisering. I det generelle tilfælde har polariseret lys elliptisk polarisation, dvs. bane af projektionen af ​​enden af ​​den elektriske feltvektor af bølgen til planet vinkelret på dens udbredelsesretning er en ellipse.To ekstreme tilfælde af elliptisk polarisation har den største praktiske interesse: lineær polarisering, når ellipsen degenererer i et segment og cirkulær polarisation, hvor ellipsen bliver til en cirkel.

Fra et kvantemekanisk synspunkt er begrebet lyspolarisering forbundet med tilstedeværelsen af ​​et spin i en foton. Fotoner, som partikler med nulmasse, kan eksistere i to stater med værdier af vinkelmoment ±ћ (ћ – Planck's konstant), rettet langs fotonets momentum. Sådanne fotoner har cirkulær polarisering: venstre, når kvantnummeret m = +1 eller højre når m = -1. Elliptisk polariserede fotoner er i en tilstand, der består af stater med m = ± 1; i tilfælde af lineær polarisation er superpositionen af ​​disse tilstande sådan, at gennemsnitsprojektionen af ​​øjeblikket på pulsens retning er nul.

Faraday effekt

Free state foton med m = +1 og m = -1 har samme energi (frekvens). I kvantemekanik kaldes en sådan situation degeneration. Degenerationen kan fjernes ved hjælp af et eksternt magnetfelt rettet langs bølgevektoren (det antages, at fotonet forplantes i et medium med et brydningsindeks n). I magnetfeltets komponenter med m = ± 1 vil propagere med forskellige fasehastigheder:

her c – lysets hastighed n – brydningsindeks for mediet, a Q – Specialmagneto-optisk parameter. I ikke-magnetiske miljøer, parameteren Q proportional med magnetfeltet og i ikke meget store felter (magnetisk induktion overstiger ikke 200-300 mT) har en typisk værdi på ca. 10-6-10-4. I ferromagnetiske materialer er denne parameter ikke-nul selv i mangel af et felt og når værdier på 10-3-10-1. Det bestemmes af det indre magnetfelt, som er skabt af atomerne og ionerne af magnetens krystalgitter.

Brændingsindekset for mediet er imidlertid direkte relateret til fasehastigheden:

Som et resultat heraf viser det sig, at i et magnetisk medium brydes de bølger, der polariseres med uret og mod det, forskelligt – et fænomen med cirkulær birefringence eller mediumets gyrotropi forekommer. Fænomenet gyrotropi er forbundet med Zeeman-effekten, det vil sige med opdelingen af ​​lysets absorptionslinjer i et magnetfelt. Under virkningen af ​​Lorentz-kraften forskydes resonansfrekvenserne for elektroner langs venstre og højre cirkel i forskellige retninger i forhold til den indledende værdi af den naturlige frekvens.Dette fører igen til en forskel i brydningsindekserne for bølger polariseret langs højre og venstre cirkler. Eksperimentelt iagttages Faraday-effekten, hvilket manifesteres i det faktum, at plane polariseret lys, der forplantes langs magnetiseringsretningen, oplever en rotation af polariseringsplanet i en vis vinkel.

For at forklare dette fænomen, lad os repræsentere en plan polariseret bølge som summen af ​​venstre og højre cirkulært polariserede bølger. Hvis begge bølger har samme fasehastigheder, så formerer de sig sammen, de tilføjer og producerer en bølge, der er fladt polariseret langs en fast retning. Men hvis deres fasehastigheder er forskellige, så vil en bølge i løbet af udbredelsen overtage den anden, og polariseringsplanet for den samlede bølge vil gradvist rotere – Faraday-effekten observeres (figur 1). Drejningsvinklen for polarisationsplanet for stråling ved udgangen af ​​en ferromagnet er proportional med den magneto-optiske parameter Q og bølgelængde i et magnetiseret medium.

Fig. 1. Skematisk illustration af Faraday-effekten. Billede: "Quant"

Faraday-effekten er meget anvendt til at observere magnetiskestrukturer i gennemsigtige film, hvor magnetiseringen er vinkelret eller næsten vinkelret på filmoverfladen. Denne effekt er en af ​​de mest effektive mekanismer til styring af polariseringen af ​​lys. Det er almindeligt anvendt i laser teknologi, datalogi og andre områder. Man kan sige, at Faraday-effekten er grundlaget for magneto-optik, et optikafsnit, hvor påvirkning af et magnetfelt på et stofs optiske egenskaber undersøges.

Sammen med Faraday-effekten er der mange andre magneto-optiske fænomener, blandt hvilke det er værd at nævne Kerr-effekten. Det består i at ændre egenskaberne ved en lysbølge efter afspejling fra et magnetisk medium. På samme tid varierer afhængig af geometrien af ​​det indfaldende lys, enten dets polarisation eller intensitet, eller begge dele.

To måder at excellence

Magnetisme påvirker lyset, men denne handling er som regel meget lille. Men hvordan kan magnetfeltet styre lyset? Svaret synes at være indlysende: de magneto-optiske effekter skal på en eller anden måde øges.

I 70'erne og 80'erne i det sidste århundrede, hvor eksperimentelle magnetooptikker oplevede en hurtig udvikling, fulgte forskerne vejen for at vælge den optimale kemiske sammensætning.Et af de mest almindelige magneto-optiske materialer er et ferromagnetisk dielektrisk sjældne jord-ferrit granat med vismutioner. Dens kemiske formel er RxBi3Fe5O12. I den betegner R en eller flere sjældne jordarters ioner og x angiver den relative koncentration af sjældne jordarters ioner og vismut. På basis af talrige eksperimenter blev sammensætningerne af ferritgarnets, som tilvejebringer store magneto-optiske virkninger og lav optisk absorption i det synlige og nær-infrarøde lys, afsløret. For eksempel er den magnetiserede ferritgarnetfilmsammensætning Dy0,5Bi2,5Fe5O12 10 μm tyk, er det i stand til at rotere polariseringsplanet for rødt lys gennem en vinkel på ca. 20 °, hvilket er helt egnet til mulige anvendelser. Men i søgen efter en passende sammensætning af stoffet kom mætning endelig, og fremskridtet blev bremset.

Heldigvis er der en anden alternativ tilgang forbundet med de såkaldte optiske nanostrukturerede materialer – medier, hvis optiske egenskaber (for eksempel brydningsindeks) ændres i rummet i en skala på mindre end et par hundrede nanometer.Et levende eksempel på sådanne materialer er fotoniske krystaller.

Photonic krystaller er periodiske dielektriske eller metal-dielektriske materialer, der virker på lysbølgerne, der formerer sig gennem dem på samme måde som et periodisk potentiale i krystaller påvirker bevægelsen af ​​elektroner, hvilket fører til dannelsen af ​​tilladte og forbudte energibånd. Eftersom den fotoniske krystalidé er baseret på diffraktion og interferens fænomen, bør perioden for strukturen af ​​den fotoniske krystal være af størrelsesordenen af ​​bølgelængden af ​​elektromagnetisk stråling i et stof, dvs. ca. 300 nm til arbejde i det synlige lysområde. Et eksempel på endimensionale fotoniske krystaller er en flerlagsstruktur af alternerende lag af gennemsigtige stoffer med to forskellige brydningsindekser (figur 2, og). Et system med parallelle huller i det dielektriske lag danner en todimensionel fotonisk krystal (figur 2, b), og de tæt pakkede nanosfærer af kvarts er en tredimensionel fotonisk krystal (fig. 2, i).

Fig. 2. Édimensionale (og), todimensionale (b) og tredimensionale (i) fotoniske krystaller. Billede: "Quant"

Hvad er bemærkelsesværdige nanostrukturerede materialer og især fotoniske krystaller? Den kendsgerning, at deres optiske egenskaber – retningen, intensiteten og polariseringen af ​​det reflekterede og transmitterede lys – bestemmes ikke kun og endog ikke så meget af brydningsindekserne for de stoffer, de er fremstillet af, men af ​​deres struktur. Specielt udvalgt materialestruktur fører til interferens- og diffraktionsfænomener, som signifikant ændrer betingelserne for passage af lys gennem materialet. Så i de fotoniske krystaller vises de forbudte zoner – lysets frekvensområder, hvor lyset ikke kan trænge ind i den fotoniske krystal og afspejles fuldstændigt af det. Udseendet af nanostrukturerede materialer åbner faktisk en ny retning i skabelsen af ​​optiske medier. Materialets nødvendige optiske egenskaber opnås ikke længere ved at vælge den optimale kemiske sammensætning (som det var tilfældet i den gamle tilgang), men ved at skabe en geometrisk eller fasestruktur med en karakteristisk størrelse, der ikke overstiger et par hundrede nanometer. Da nanostrukturerede materialer kunstigt skabes, kaldes de ofte metamaterialer.

Magnetiserede fotoniske krystaller

Hvis det nanostrukturerede materiale indeholder magnetiske stoffer, kan det forventes, at magneto-optiske virkninger vil blive observeret i den, ligesom dem der forekommer i almindelige homogene medier, men måske lidt modificerede. Ideen om at bruge magnetiske stoffer til kontrol af lys i en fotonisk krystal blev først foreslået i de sene 1990'ere af japanske forskere. De undersøgte Faraday-effekten i endimensionale fotoniske krystaller, som er flerlaget film af tilfældigt skiftende lag af vismissubstitueret yttriumgarnet ferrit og kvarts. For visse strålingsfrekvenser med optimalt udvalgte strukturparametre blev en stigning af Faraday-effekten med mere end 300 gange fundet i sammenligning med et lignende homogent medium.

På eksemplet med det endimensionale tilfælde kan der adskilles adskillige typer magnetiske fotoniske krystaller. Først og fremmest er disse standardsystemer, der består af vekslende kvartbølge (tykkelse svarende til en fjerdedel af lysets bølgelængde i et stof) magnetisk (for eksempel ceriumsubstitueret yttrium ferrit-granat) og ikke-magnetisk (f.eks. Gadolinium-galliumgarnet) lag.Sådanne fotoniske krystaller har et forbudt bånd med et center ved projektionsbølgelængden, dvs. de transmitterer ikke lys med en bølgelængde i en bestemt region omkring en given. Ved design bølgelængde menes den lyse bølgelængde udenfor krystallen, hvor en fjerdedel af bølgelængden placeres i hvert af sine lag. I figur 3, og og b Viser afhængigheden af ​​transmittansen og Faraday vinklen for en endimensionel fotonisk krystal indstillet til det nærmeste infrarøde område (design bølgelængde 1,55 mikron). Krystalet består af 30 par magnetiske og ikke-magnetiske lag. Forøgelsen af ​​Faraday-effekten sker ved grænsen af ​​den forbudte zone, dvs. i bølgelængdesregionen på 1,49 um og 1,61 um. Det viser sig, at det er ved disse bølgelængder, at gruppens hastighedshastighed stiger dramatisk. Dette fører til en stigning i den effektive tid for vekselvirkning af bølgen med magnetiseringen af ​​materialet, og derfor øges Faraday-effekten.

Et vigtigt træk ved resonanser ved grænsefrekvenserne er, at maksimaliteten af ​​passagen og Faraday-rotationen praktisk talt falder sammen. Dette gør det muligt at anvende fotoniske krystaller som miniatureelementer, der roterer polarisationsplanet ved store vinkler.Det optimale udvalg af magnetiske materialer, deres geometriske dimensioner og placering gør det muligt at skabe en ny generation af optiske enheder, der styres af magnetfelter. Det skal huske ikke kun infrarød, men også det synlige lysområde.

I endimensionale magnetiske fotoniske krystaller er det muligt at skabe strukturelle defekter – flere gange invertere rækkefølgen af ​​lagene og derved opnå et eller flere lag med dobbelt tykkelse. Tilstedeværelsen af ​​sådanne defekter fører til udseendet af smalle resonansniveauer i det fotoniske båndgab ved frekvenser, hvor lysets passage er tæt på et hundrede procent (figur 3, i). Samtidig er gruppemissionsfrekvensen ved disse resonanser igen meget lille, og Faraday-effekten stiger kraftigt (figur 3, g). Som et resultat er det muligt at opnå toppen transmission af den ønskede bredde og en stor Faraday vinkel. For eksempel er det ved bølgelængderne af det nærliggende infrarøde område ved anvendelse af sådanne fotoniske materialer muligt at opnå en rotationsvinkel for lyspolarisation på 45 ° i en afstand på kun 1,5 μm, mens den specificerede vinkel for rotation opnås i en afstand på 150 gange for det samme homogene medium. mere.

Fig. Z. Optiske egenskaber i det nærmeste infrarøde område af en endimensionel magnetisk fotonisk krystal bestående af 30 par magnetiske og ikke-magnetiske lag med ideel periodicitet (ogb) og med en strukturel defekt (ig). Billede: "Quant"

Forøgelsen af ​​Faraday-effekten i fotoniske krystaller blev imidlertid først eksperimentelt demonstreret af japanske forskere på en anden type struktur. Det er en magnetisk mikrokavitet – et lag af magnetisk materiale placeres inde i en ikke-magnetisk resonator. Selvom det er lettere at lave et sådant system end tidligere typer magnetiske fotoniske krystaller, viser det stadig mindre imponerende resultater.

I de senere år er også multidimensionale magnetiske fotoniske krystaller begyndt at blive undersøgt. Arbejde med sådanne systemer udvider markant omfanget af observerede effekter og fører også til nye interessante applikationer. Eksperimentelle og teoretiske undersøgelser af todimensionale og tredimensionale magnetiske fotoniske krystaller udføres aktivt i vores land (ved Moscow State University opkaldt efter MV Lomonosov, ved AF Ioffe Physico-Technical Institute) samt i Japan, Australien, Sverige andre lande.I de fleste tilfælde er den eksperimentelle implementering af disse strukturer kolloide løsninger af bestilte partikler af sfærisk eller cylindrisk form. For eksempel skabt todimensionale kolloidale fotoniske krystaller, der består af glasfibre belagt med nikkel. En kraftig stigning i Faraday-effekten blev registreret i tredimensionale kolloide krystaller fra kvartssfærer, mellemrummene mellem hvilke er fyldt med en magnetisk væske af en mættet opløsning af dysprosiumnitrat i glycerin.

Indtil videre har vi kun talt om at forstærke Faraday-effekten i fotoniske krystaller. Det skal dog bemærkes, at andre magneto-optiske effekter kan forbedres væsentligt på grund af en specielt valgt optisk struktur af mediet. Derfor har man i hænderne en prøve af en sådan fotonisk krystal kun et par mikrometer tyk, man kan virkelig effektivt styre lyset, først og fremmest ændre sin polarisation.

Magnetooptik i drift

Det er på tide at tale om, hvor magnetooptik kan bruges. Lad os starte med overførsel af oplysninger. Eftersom i optiske computere transmitteres informationstyper af lysbølger,så er det nødvendigt at lære at ændre eller med andre ord at modulere lysets intensitet med høj frekvens. Det er her, hvor den forbedrede Faraday-effekt skal komme til nytte.

En magneto-optisk modulator kan faktisk organiseres som følger: Arranger en magnetisk fotonisk krystal med en stor magneto-optisk parameter mellem to polarisatorer krydset i en vinkel på 45 ° og ændre dens magnetisering ved hjælp af et eksternt magnetfelt inden for sådanne grænser, at polariseringsplanets drejningsvinkel også er 45 °. Derefter ved maksimal magnetisering, for eksempel langs aksen OX polariseringen af ​​lyset ved udgangen af ​​laget vil være parallelt med retningen af ​​analysatoroverførslen, og næsten al lysenergi vil passere gennem modulatoren. På samme tid med maksimal magnetisering af laget mod aksen OX Polariseringsplanet af lys vil dreje i modsat retning og vil være vinkelret på analysatorens akse – lyset absorberes fuldstændigt. Ved mellemliggende værdier af magnetisering vil Faraday vinklen være mindre end 45 °, og kun en del af strålingen vil komme ud. Det viser sig, at ved at ændre magnetfeltet, er det muligt at påvirke intensiteten af ​​det transmitterede lys.En meget vigtig faktor er omskiftningshastigheden. Magnetiske materialer gør det muligt at opnå omstillingsfrekvenser op til 10 gigahertz, hvilket svarer til omskiftningstider i rækkefølgen af ​​fraktioner af en nanosekund. (Til sammenligning skal det siges, at omskiftning af flydende krystalstoffer forekommer i mikrosekunder.)

For effektivt og hurtigt at ændre intensiteten af ​​lysstrømmen er ekstremt vigtig, ikke kun i fremtidens optiske fotofoniske chips, men også i andre optiske enheder. For eksempel kan du på basis af en magnetisk fotonisk krystal oprette miniatureceller, der overfører lys af en given farve – rød, blå eller grøn. Sådanne celler kan kombineres til et enkelt system, og fra de resulterende pixels skabes en monitor eller videoprojektor (figur 4). Når du adresserer et eksternt magnetfelt til farvepixel, kan du styre lysstyrken af ​​en bestemt farve og give billedet den ønskede skygge, der danner et lyst, mættet farvebillede.

Fig. 4. Princippet om den magneto-optiske videoprojektor. Tre magnetiske fotoniske krystaller indstillet til blå (470 nm), grønne (540 nm) og røde (640 nm) bølgelængder og deres transmissionsspektre (og); magneto-optisk celle skema (b); pixelstruktur af det magneto-optiske display (i). Billede: "Quant"

Nu bliver det såkaldte elektroniske papir stadig mere populært – en fleksibel skærm, der giver dig mulighed for at læse elektroniske bøger og aviser. I øjeblikket er sådanne enheder vist, der giver et sort-hvidt billede. Det viser sig, at magnetfeltet her også kan være nyttigt. Som følge af koreanske videnskabers seneste arbejde, kan magnetiske fotoniske krystaller, der består af magnetiske nanopartikler i polymere mikrosfærer, tillade os at tage det næste skridt – for at skabe farvet elektronisk papir. Operationsprincippet for et element af en sådan fotonisk krystal er vist skematisk i figur 5. Mikrosfæren med en magnetisk fotonisk krystal indvendig kan rotere frit og suspenderes i motorolie. Hvis strålingen falder i retning af magnetkæden (eller i en spids vinkel mindre end 15 °), bestemmes farven af ​​den reflekterede stråling hovedsageligt af afstanden mellem nanopartiklerne. Hvis partiklen under påvirkning af et magnetfelt svinger på en sådan måde, at kæderne af magnetiske partikler er orienteret vinkelret på lysstrålen, så bliver mikrosfæren farveløs. såledesi dette tilfælde hjælper magnetfeltet med at styre farven ikke direkte gennem de magneto-optiske virkninger, men indirekte ved at orientere den fotoniske krystal efter behov. Samtidig må vi heller ikke glemme Faraday-effekten. Det er muligt, at i en sådan struktur vil det være nyttigt for en yderligere virkning på polariseringen af ​​lys. Den øgede indflydelse af magnetfeltet på lyset kan anvendes ikke kun for at ændre lysets egenskaber, men også til overvågning af selve magnetfeltet – i overfølsomme sensorer. Det viser sig, at størrelsen og positionen af ​​resonansoverførelsestoppen er meget følsom over for et eksternt magnetfelt i magnetiske fotoniske krystaller og et antal andre nanostrukturerede magnetiske materialer (for eksempel i perforerede metal-dielektriske film). Derfor er det muligt ved at måle intensiteten af ​​det transmitterede lys at bestemme størrelsen og retningen af ​​feltet ved at placere en magnetisk nanostruktur i et eksternt magnetfelt.

Fig. 5. Polymermikrosfæren med en fotonisk krystal inde ændrer farven på den reflekterede stråling, når den drejes under virkningen af ​​et magnetfelt (og).Mikrosfærer af to forskellige størrelser: i "on" -tilstanden, dvs. orienteringen af ​​kæderne af magnetiske nanopartikler i en fotonisk krystal er parallel med synslinien (b, g), og i "off" -tilstanden, dvs. orienteringen er vinkelret på synslinien (i, d). Billede: "Quant"

Båndoptager

Vi har kun diskuteret nogle anvendelser af magneto-optiske effekter, som langt fra udmattende alle muligheder og fordele ved lysstyring ved hjælp af et magnetfelt. I øjeblikket udvikles nye ideer konstant og nye magneto-optiske enheder udvikles. For nylig er der introduceret et særligt navn til dette forskningsområde – magnetbåndoptager, som desuden angiver dets relevans. Den berømte franske matematiker A. Poincaré bemærkede, at det undertiden er nok at opfinde et nyt ord, og dette ord bliver senere en skaber. Fig. 6. Fantasy kunstner – photon mikropolis. Billede: "Quant" Så det skete med fotoniske krystaller: I 1987 dukkede navnet op, og efter et par år opstod der en reel forskningsproblemer, der førte til nye videnskabelige og tekniske opdagelser.Hvad udtrykket "magnetisk fotonik" vil medbringe, hvilke nye opdagelser venter på os, hvad mere er sammenhængen mellem optik og magnetisme, som Faraday opdager, vil være nyttig – tiden vil fortælle. Måske er det takket være de magnetiske fotonik, at fantasien fra videnskabelige kunstnere om emnet optiske nanosmer bliver en realitet (en af ​​disse fantasier er vist i figur 6).


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: