Поляритоны и нелинейные оптические эффекты в магнитоупорядоченных кристаллах Любчанский, Игорь Леонидович

Введение к работе

Актуальность темы.

Одним из основных направлений исследований в современной физике твердого тела является изучение физических свойств магнитоупорядоченных кристаллов. Большое внимание в этих исследованиях уделяется оптике магнетиков. С одной стороны это обусловлено тем, что оптические методы позволяют получать информацию о магнитной структуре и динамических характеристиках спиновой подсистемы кристалла с достаточно высокой точностью. С другой стороны - это широкое применение магнитных материалов в интегральной оптике и квантовой электронике, например, в качестве магнитооптических волноводов, фазовращателей и других устройств.

К настоящему времени выполнен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований по оптике магнитных материалов. Хорошо изучены эффекты прохождения, отражения и поглощения света в магнетиках; рассеяние света на спиновых волнах; фотостимулированные процессы в магнитных материалах.

Тем не менее, в магнитооптике существует значительный круг проблем, которые либо не исследовались ранее вообще, либо были изучены недостаточно полно.

К ним, в первую очередь, следует отнести нелинейную оптику магнетиков. Например, такие трех- и четырехфотонные эффекты как индуцированная магнитным упорядочениеи генерация второй оптической гармоники, гиперкомбинационное рассеяние света на спиновых волнах и магнитных поляритонах, нелинейный эффект Фарадея. Несмотря на то, что нелинейные оптические явления в немагнитных твердых телах изучаются достаточно интенсивно с начала 60-х годов, работы по нелинейной оптике магнитоупорядоченных веществ к моменту начала наших исследований практически отсутствовали. Этот факт явился одним из основных стимулов к началу исследований по нелинейной оптике магнетиков. Другим не менее важным обстоятельством, продолжающим стимулировать соответствующие исследования, является существенный рост в возможностях оборудования, которое испо-

льзуется в современных нелинейно-оптических и магнитоптичес-ких экспериментах. Именно этот прогресс в физическом приборостроении и высокое мастерство экспериме'таторов позволили впервые успешно наблюдать нелинейные оптические эффекты в магнитоупорядоченных материалах. В первую очередь это индуцированная магнитным упорядочением генерация второй оптической гармоники как в тонких пленках ферромагнитных металлов и магнитных диэлектриков, так в пластинах и объемных образцах ферритов- гранатов, сегнатомагнитных и магнитоэлектрических кристаллах (для поглощающих веществ в геометрии "на отражение", для прозрачных в соответствующем диапазоне длин волн -в геометрии "на просвет"). Такие необходимо отметить уверенную регистрацию эффекта нелинейного (по интенсивности падающего света) вращения плоскости поляризации электромагнитной волны в полумагнитных полупроводниках.

другой достаточно широкий круг проблем, изученных в диссертации, посвящен исследованию распространения нормальных электромагнитных волн в среде (поляритонов) в однородных и слоистых магнитоупорядоченных веществах. Несмотря на то, что в указанном научном направлении проведены многочисленные исследования, ряд вопросов либо изучен недостаточно полно, либо не рассматривался ранее вообще.

Здесь нужно выделить круг задач, посвященных феноменологическому и микроскопическому описанию распространения электромагнитного излучения в бигиротропных магнитных веществах. Зти соединения характеризуются недаагональными тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостей. И, как следует из результатов соответствующих экспериментов, в определенном диапазоне длин волн недиагональные компоненты каждого из тензоров дают сравнимый вклад в такой магнитооптический эффект, как фарадеевское вращение. Наиболее характерным представителем бигиротропных магнитных кристаллов является же-лезо-иттриевый гранат y₃Peg0₁₂, который проявляет соответствующие свойства в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн электромагнитного излучения. Наряду с бигиротропными рассмотрены и магнитоэлектрические кристаллы, т.е. такие соединения, в которых электрическая и магнитная подсистемы связаны непосредственным образом. Классическим примером магнитоэлектрического кристалла является четырехподрешеточный антиферромагнетик СГп0₃ . Несмотря на то, что исследования по опти-

ке бигиротропных и магнитоэлектрических сред проводились и ранее, к моменту начала наших исследований значительное число вопросов еще не было изучено. Это относится как к однородным, так и к слоистым бигиротрогашм и магнитоэлектрическим веществам.

Из вышеизложенного следует, что исследования, результаты которых составляют содержание диссертации, актуальны. Это обусловлено тем, что соответствующие научные работы направлены как на изучение новых иагнитоптических эффектов, фактически выделившихся в новое научное направление - нелинейную оптику магнетиков и стимулирующих постановку соответствующих экспериментов, так и на дальнейшее развитие ухе известных представлений о распространении электромагнитного излучения в однородных и слоистых магнитоупорядоченных веществах.

С другой стороны актуальность научных исследований подтверждается тем, что они включены в программу европейского научного сотрудничества "Запад - Восток" по программе INTAS, а также фактом цитирования ключевых публикаций, в которых изложено основное содержание диссертации, в ведущих физических журналах мира, обзорных статьях и монографиях.

Цель диссертационной работы.

Настоящая диссертационная работа посвящена теоретическим исследованиям новых магнитооптических эффектов в магнитоупорядоченных веществах. При описании соответствующих явлений используются как феноменологический, так и микроскопический подходы. Если феноменологическая теория позволяет описать тот или иной эффект в общих чертах, то микроскопическая теория дает возможность выделить конкретный механизм взаимодействия, ответственный за соответствующее явление,

В качестве объектов исследования были выбраны такие кристаллы, как бигиротрогашй в ближнем инфракрасном диапазоне железо-иттриевый гранат їз^Ре512' ^четнР^ехпоДР^{ешеточнна} магнитоэлектрик Cr₂0g, многоподрешеточные редкоземельные перовскиты, высокотемпературные сверхпроводники YBa₂Cu₃0_6+d и Ш^СиОд, которые в нормальном состоянии антиферромагнитно упорядочены.

Научная новизна диссертационной работы определяется следую-

щиы:

1. Впервые теоретически предсказана возможность наблю
дения индуцированной магнитным упорядочением генерации вто
рой оптической гармоники в центросимметричных (в парафазе)
кристаллах.

2. Впервые рассмотрено гиперкомбинацпонное рассеяние
света на спиновых волнах. На примере редкоземельных перовс-
китов исследованы новые.возможности этого эффекта для изуче
ния динамических свойств магнитной подсистемы кристалла.

1. Впервые проведено корректное описание аффекта нелинейного оптического вращения в магнитных кристаллах.

2. В райках феноменологической теории выполнен последовательный анализ объемных, поверхностных и волноводных электромагнитных возбуждений в однородных и слоистых бигиротроп-ных и магнитоэлектрических средах.

3. Впервые детально изучен эффект полного внутреннего отражения света от границы раздела кубических бигиротропных сред для полярной, продольной и поперечной магнитооптических конфигураций.

4. Впервые построена микроскопическая теория мапштозк-ситонных поляритонов в магнитных диэлектриках и магнитоэлек-триках. В рамках этой теории вычислены тензоры линейной диэлектрической и магнитной проницаемостей, магнитоэлектрической и нелинейной оптической восприимчивостей.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обусловлена следующими факторами:

1. Использованием современных методов теоретической и математической физики для описания широкого круга магнитооптических эффектов.

2. Существованием предельных переходов от полученных в диссертации уравнений и формул к известным ранее решениям аналогичных задач.

3. Качественным и количественным совпадением формул и оценок с результатами, полученными независимо другими исследователями.

4. Непосредственным экспериментальным подтверждением
некоторых из аффектов, изученных в диссертации.

5. Цитированием публикаций, в которых изложено основное содержание диссертации, в научной периодике.

Основные положения, выносимые на защиту:

4. Теоретическое исследование индуцированных магнитным упорядочением нелинейных оптических аффектов, положенных в основу нового научного направления - нелинейной оптики магнетиков .

5. Описание объемных, поверхностных и волноводных электромагнитных волн в бигиротропных магнетиках в рамках феноменологического подхода.

6. Развитие микроскопической теории магнитоэкситонных поляритонов и ее применение для вычисления линейных и нелинейных оптических характеристик магнетиков.

Научная и практическая ценность работы:

7. Теоретически предсказана возможность наблюдения индуцированной магнитным упорядочением дипольно-активной генерации второй оптической гармоники в магнитоупорядоченных кристаллах. После наших публикаций был проведен ряд экспериментов как в пленках, так и объемных образцах магнитных металлов и диэлектриков, подтвердивший теоретические предсказания.

8. Построена теория гиперкомбинационного рассеяния света на спиновых волнах и показаны возможности нелинейной колебательной спектроскопии для изучения симметрии магнонов в многоподрешеточшх магнетиках.

9. Развита теория нелинейного оптического вращения плоскости поляризации света в магнитных кристаллах. Соответствующие теоретические предсказания получили подтверждение в экспериментах, выполненных с использованием полумагнитных полупроводников CdMnTe.

10. Проведено последовательное феноменологическое и микроскопическое описание нормальных электромагнитных волн в бигиротропных и магнитоэлектрических средах. На основе развитого в диссертации представления о магнитоэкситонных поляритетах вычислены тензоры нелинейных оптических восприиичи-востей магнитоупорядоченных кристаллов.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе положены в основу нового научного направления - нелинейной оптики магнетиков.

Результаты работ, которые составляют содержание диссертации, выполнены в рамках научно-исследовательских проектов НАН Украины и ГКНТ Украшш, а также международного гранта INTAS No.94 - 2675 "Nonlinear optical eflects In tnin magnetic film structures".

Апробация диссертации.

Основные результаты диссертационной работы были представлены и докладывались на:

XVII и XVIII Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (г.Донецк, 1985г.; г.Калинин, 1988г.).

XII Всесоюзной, XIII, XIV и XV Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (г.Москва, 1985г.; г.Минск, 1988г., С.-Петербург, 1991 и 1995г.г.).

I, II и III Всесоюзных семинарах "Оптика анизотропных сред" (г.Москва, 1986г.; г.Звенигород, 1987 и 1988г.г.).

VII и X Вавиловских конференциях по нелинейной оптике (г.Новосибирск, 1981 и 1990г.г.).

II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диалектриче-скими структурами" (г.Саратов, 1988г.>.

XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (г.Киев, 1988г.).

IX и XIII Международных конференциях по Рамановской спектроскопии - ICRS (г.Токио, Япония, 1984г.; г.Вюрцбург, ФРГ, 1992г.).

IV Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (г.Ужгород, 1989г.).

XIV Всесоюзном (Пекаровском) совещании по теории полупроводников (г.Донецк, 1989г.).

- Международном симпозиуме по магнитооптике (г.Харьков,
1991г).

XI Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (г.Алушта, 1992г.).

Украинско-французском симпозиуме "Конденсированное вещество: наука и промышленность" (г.Львов, 1993г.).

VI научном семинаре "Физика магнитныых явлений" (г.Донецк, 1993г.).

35 и 38 ежегодных конференциях по магнетизму и магнитный иатериалам - МММ (г.Сан-Диего, США, 1990г., Г.Миннеаполис, США, 1993г.).

5 и 6 объединенных конференциях "Магнетизм и магнитные материалы-йнтермаг - МЫМ-Interrag" (г.Питтсбург, США, 1991г, г.Альбукерк, США, 1994г.).

II Международной конференции по явлениям магнитоэлектрического взаимодействия в кристаллах - МЕГРІС-2" (г.Аскона, Швейцария, 1993г.).

Международной конференции по физике магнитных явлений -ІСМ'94 (г.Варшава, Польша, 1994г.).

XIV международном коллоквиуме по магнитным пленкам и поверхностям - XIV-th ICMFS (Г.Дюссельдорф, ФРГ, 1994г.).

Международной конференции "Оптическая диагностика материалов и устройств для опто- микро- и квантовой электроники -0ШПШ'95" (г.Киев, 1995г.) - приглашенный доклад.

Объединенной конференции по лазерам и электрооптике/квантовой электронике и лазерным наукам - CXEO/QELS'95 (г.Балтимор, США, 1995г.).

VI Европейской конференции по магнитным материалам и приложениям - ЕММА'95 (г.Вена, Австрия, 1995г.).

XII международной конференции по мягким магнитным материалам - SMM12 (Г.Краков, Польша, 1995г.).

Заседании международной рабочей группы "Нелинейная магнитооптика" (г.Берлин, ФРГ, 1995г.) - приглашенный доклад.

15 Общей конференции по физике конденсированного вещества Европейского физического общества - CMD-EFS'96 (г.Бавено-Стреса, Италия, 1995).

- Международном симпозиуме по магнитооптической записи -
MORIS'96 (г.Нордвийхеркоут, Голландия, 1995).

Кроме того результаты диссертации докладывались на научных семинарах в ДонФТИ им.А.А.Галкина НАН Украины, ФТЙНИТ им. Б.И.Веркина НАН Украины, ИФ НАН Украины, ИФП НАН Украины, на кафедре квантовой радиофизики Киевского университета им.Тараса Шевченко и кафедре теоретической физики Донецкого государственного университета.

Помимо этого под руководством соискателя подготовлены и успешно защищены две кандидатские диссертации (С.Б.Борисов,

1986г., Н.Н.Дадоенкова, 1994г.).

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 29 статьях в реферируемых журналах [1 - 291 (включая краткий обзор по нелинейной оптике магнетиков С291), список которых приведен в конце автореферата, а также в сборниках тезисов докладов и трудов вышеперечисленных конференций.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа содержит результаты теоретических исследований, проведенных непосредственно автором. Во всех статьях, опубликованных по материалам диссертации, автору принадлежит постановка задачи, выбор и разработка методов их решения, интерпретация и обобщение результатов. Соискателем выполнен основной объем исследований.

Структура и объем диссертации.