Резонансная рентгеновская магнитооптика редкоземельных слоистых наноструктур Матвеев, Вячеслав Михайлович

Введение к работе

Актуальность проблемы

Магнитооптика — один из наиболее мощных методов исследования магнитных материалов и различных функциональных структур на их основе. Эффективность извлечения структурной информации с помощью электромагнитного излучения максимальна, когда длина волны излучения сопоставима с характерными размерами элементов исследуемых структур. Поэтому для магнитооптической диагностики перспективных функциональных структур магнитной налоэлектроники — мулътнело-ев, сверхрешеток, ультратоиких магнитных пленок, приповерхностных переходных слоев, а также несоизмеримых наноструктур в спиральных магнетиках и сверхрешетках лучше всего подходит рентгеновское излучение наиометрового диапазона. Однако регистрация магнитооптических эффектов в рентгеновском диапазоне всегда была сопряжена с очень большими трудностями из-за чрезвычайной слабости магнитных взаимодействий рентгеновских фотонов с атомами материалов.

Хорошо известно, что даже обычная немагнитная поляризуемость материалов в рентгеновском диапазоне очень мала (х < Ю~^а при А < 1 нм). Она определяется относительно слабым томсоновским рассеянием фотонов на электронах атомов; сечение томсоновского рассеяния irp = '^lr\, где Z — заряд атомного ядра и г₀ — классический радиус электрона. Сечение нерезонансного магнитного рассеяния рентгеновских фотонов еще меньше: ой = (K/^yZjfrl, где А — длина волны излучения, Х_с — комп-топовская длина волны (0,0024 нм), Zu — число электронов в магнитной оболочке атома. Для редкоземельных ионов нри А = 1 нм в лучшем случае а и < 10~*ffo- Поэтому до недавнего времени рентгеновский диапазон был практически "закрыт" для магнитооптических исследований.

Ситуация резко изменилась с появлением мощных источников синхротронного излучения, генерирующих высокоинтененвные пучки рентгеновских фотонов с уникальными спектральными и поляризационными характеристиками. Очень высокая интенсивность рентгеновски.о пучка компенсирует малость сечения взаимодействия, что позволяет регистрировать очень слабые иапштооптические эффекты. В частности, метод магнитной «фракции синхротронного излучения по способности регистрации таких эффектов оказывается на одном уровне с методом маг-

нитной дифракции нейтронов [1-4]. Тем не менее, важнейшим фактором, с которым в настоящее время связывается дальнейший прогресс рентгеновской магнитооптики, является использование настройки энергии рентгеновских фотонов на края поглощения излучения для тех магнитных элементов, которые входят в состав исследуемых объектов. В узких спектральных областях вблизи краев поглощения реализуются условия подяризационно-чувствительного резонансного усиления магнитного рассеяния рентгеновских фотонов за счет дипольних (мультипольних) переходов электронов внутренних оболочек магнитных атомов в возбужденные состояния (локализованные состояния или состояния непрерывного спектра вблизи уровня Ферми). Особенно сильное возрастание маг-нитоптической активности должно наблюдаться для редкоземельных ионов вблизи М\ и Мі краев поглощения, которые находятся в практически неосвоенном и оптимальном для исследования наноструктур спектральном диапазоне 0,8-1,5 нм. Гигантское усиление магнитооптической активности вблизи этих краев поглощения обусловлено интенсивными дипольними переходами электронов из заполненной 3<і-ободочкв редкоземельного иона в магнитную 4/-оболочку, то есть 3d'4.f — 3cP4/"^+l переходами между локализованными состояниями иона [3-5]. Величины магнитооптических параметров могут достигать здесь величии обычной немагнитной поляризуемости иона с результирующей исключительно высокой чувствительностью магнитооптических эффектов к изменениям магнитного состояния материала. Точный расчет магнитооптических параметров для редкоземельных ионов в области 3d — 4/-резонанса имеет важное значение для выяснения реальных возможностей резонансной рентгеновской магнитооптики.

Очень важно, что при использовании рентгеновского излучения аномальные по спектру магнитооптические эффекты можно дополнительно "усилить", используя экспериментальные условна "структурного'' резонанса, реализуемые только в рентгеновском диапазоне: например условия магнитной дифракции на несоизмеримых нанометровых структурах и сверхрешетках и/или полного внешнего отражения пучка. Такое объединение структурного и атомного резонансов существенно расширяет исследовательские возможности рентгеновской магнитооптики. Излучение с длиной волны 0,8-1,5 нм не чувствует мелкомасштабную кристаллическую структуру исследуемого объекта, поэтому дифракционная резонансная магнитооптика вблизи М|_|5 краев поглощения редкоземельных

нолов позволяет исследовать магнитные структурные эффекты в чистом виде, то есть регистрировать непосредственную магнитную дифракцию на наноструктурах, а не магнитные сателлиты вблизи брегговских пиков дифракции на кристаллической структуре, как в области жесткого рентгеновского спектра [1,2]. В частности, в условиях гигантского резонансного усиления магнитооптической активности с результирующим резким уменьшением глубины экстинкции появляется уникальная возможность наблюдение динамических эффектов в непосредственной магнитной дифракции рентгеновского излучения на несоизмеримых спиральных магнитных структурах (CMC) в редкоземельных магнетиках. В отличие от хорошо разработанной кинематической теории магнитной дифракции на CMC [1] и динамической теории распространения света в немагнитных молекулярных спиральных средах-(жидких кристаллах) [6], динамические аспекты рентгеновской дифракции на CMC вообще не исследованы Я требуют детального рассмотрения.

Большой интерес представляет также исследование магнитооптических эффектов при объединении атомного 3d — 4/-реэонанса и геометрии полного внешнего отражения рентгеновского пучка (скользящее падение). При сравнимости величин магнитооптических параметров и немагнитной поляризуемости самые малые вариации магнитного состояния отражающего объекта и, следовательно, критического угла полного внешнего отражения в_с должны приводить к резкому изменению коэффициента отражения вблизи этого угла. По сравнению с обычной рентгеновской оптикой скользящего падения, возможность целенаправленного изменения магнитного состояния исследуемого объекта и сильная поляризационная чувствительность коэффициента отражения в резонансной рентгеновской магнитооптике обеспечивают по меньшей мере удвоение получаемой структурной информации.

Практически не исследован вопрос преобразования поляризационных характеристик рентгеновского пучка вблизи криї іеского угла полного внешнего отражения от магнитной' структуры. Как известно, величина комплексного полярного эффекта Керра определяется выражением ifti{i? — 1); где П — нЬказвтелъ преломления¹ ttsripntbia, д — параметр гиротропН* pjf. Йоскольку для peнтгeнoвcкoгo «Йлучегійя поляризуемость х = "^{3 —} 1 очень мала і. и резонансных условиях д ~ х> то из приведенного выражения вытекает возможность наблюдения is рентгеновском диапазоне гигантского эффекта Керра. Необходимо только

обеспечить достаточную интенсивность отраженного пучка, что как раз достигается в геометрии скользящего падения.

Сильные магнитооптические эффекты в области 3d — 4/-резоиаша при скользящем падении пучка должны в еще большей степени усиливаться при дифракции на многослойных магнитных структурах к сверхрешетках, включающих слон редкоземельных материалов. Актуальной задачей является разработка теоретических основ резонансной магнитооптики скользящего падения и оценка возможностей этого метода в определении структурных параметров сверхрешеток, степени совершгпста поверхности, размытия границ раздела между соседними слоями, пространственных распределений намагниченности на границах раздела и в приповерхностных слоях. Эти вопросы достаточно подробно рассматривались длл метода магнитного рассеяния нейтронов и немагнитного рассеяния рентгеновского излучения [8,9], ко место рентгеновской магнитооптики среди этих и других методо» исследования ианометровых магнитных структур пока еще не определено.

Магнитные объекты, для исследования которых можно с успехом использовать резонансную рентгеновскую магнитооптику представляют большой интерес к"к для выяснения фундаментальных вопросов физики слоистых наноструктур (закономерности формирования поверхностной и межслойной магнитной анизотропии, природа к характер обменных взаимодействий между отдельными слоями, природа гигантского магието-соиротивлення н т.д.), так и для прикладных применений (магнитная запись информации, магннтоуправляемые рентгеноонтические элементы). Важно отметить, что актуальность разработки теоретического базиса резонансной рентгеновской магнитооптики редкоземельных наноструктур определяется не только очевидной перспективой создания мощного аналитического метода прецизионной диагностики указанных объектов, ко н возможностью практической реализации уникальных магнитных методов управления характеристиками рентгеновского (синхротронного) излучения с использованием не "жестких" кристаллических, а "гибких" перестраиваемых магнитных наноструктур.

Цель и конкретные задачи работы

Целью настоящей работы является создание теоретического базиса резонансной рентгеновской магнитооптики как метода прецизионной маг-

литноіі длагіїостшаї редкоземельных слоистых наноструктур в условиях резонансного усиления магнитооптической ахтивиости редкоземельных ионов вблизи M_t я Мі краев поглощения рентгеновского излучения и разработка метода иагнитного управлення спектральными и поляризационными характеристиками рентгеновского излучения с помощью этих структур.

В соответствия с поставленной целью были сформулированы следующие конкретные задачи диссертационной работы:

1. Исследование механизмов аномально высокой магнитооптической активности редкоземельных ионов вблизи Л/< и Л/с краев поглощения рентгеновского излучения; ояределение магнитооптических параметров для редкоземельных ионов и области внутриатомного 3d — 4/-резоианса.

2. Разработка динамической теории магнитной дифракция рентгеновского излучения на несоизмеримых спиральных наноструктурах в редкоземельных ыагнетпках.

3. Разработка теории резонансных магнитооптических эффектов в геометрии скользящего падения рентгеновского пучка.

4. Разработка исхода определения; структурных характеристик приповерхностных слоев ыагшггных материалов, ультратонких магнитных пленой, иультислоев и сверхрешеток иа основе анализа по-Яяр!із*апяояішх ыатиитоояпгческих эффеятоз вблизи критического углз полного внешнего сггракеййя.

5. Разработка теоретического* базиса для кетодз магнитного у праяле-ilitM спектральньшн я полярнзачионпыин характеристиками рентгеновского излучений В ofisacTrt 3d — 4/-реэоиапса.

ШнуЧшШ оопййнй

І, ІІряШіШ расчетами кошюпсн* тензора; диздактрлческон проница-ейости в області! внутриатомного 3d — 4/-резопанса доказано гигантское усиление магнитооптической активности редкоземельных ионов вблизи М* и Mt, краев поглощения рентгеновского излучения.

Изучено влияние кристаллического окружения редкоземельного иона на магнитооїггичекие параметры.

2. Обоснована возможность наблюдения динамических эффектов при непосредственной дифракции мягкого рентгеновского излучения на несоизмеримых спиральных магнитных структурах (CMC) в редкоземельных магнетиках в условиях резонансного усиления магнитооптической активности редкоземельных ионов.

3. Впервые разработана динамическая теория магнитной дифракции рентгеновского излучения на CMC. Исследованы динамические эффекты для дифракции на CMC разного типа в редкоземельных металлах.

4. Установлена возможность возникновения в спиральном магнетике в условиях магнитной дифракции специфических "эллиптических* стоячих рентгеновских волн, структура которых существенно отличается от структуры стоячих волн, возникающих при дифракции на кристаллической решетке.

5. Предсказан и изучен эффект поляризационно-избирательяого подавления поглощения рентгеновского излучения в области магнитной дифракции при определенных конфигурациях стоячей рентгеновской водны в кристалле.

6. Разработана теория резонансных магнитооптических эффектов в геометрии полного внешнего отражения рентгеновского пучка.

7. Предложен и теоретически обоснован прецизионный метод анализа параметров магнитных наноструктур, основанный на исключительно высокой чувствительности коэффициента отражения и эффекта Керра вблизи критического угла полного внешнего отражения к малым изменениям магнитного состояния отражающего объекта иполяризации зондирующего рентгеновского пучка.

8. Обоснован метод восстановления фазовой информации для амплитуды отражения от слоя с произвольным распределением электронной плотности с помощью эталонных магнитных нанослоев. Это

позволяет решить обратную задачу теории рассеяния рентгеновского излучения.

9. Впервые исследована структура стоячих рентгеновских волн, возникающих над поверхностью магнитного слоя при отражении излучения в геометрии скользящего падения пучка. Характеристиками таких стоячих волн можно управлять не только путем изменения угла падения, как при Немагнитном отражении, но и путем изменения магнитного состояния отражающего слоя.

10. Разработан теоретический базис метода магнитооптического управления характеристиками мягкого рентгеновского излучения. Предложены ыагнитоуправляемые рентгенооптические элементы (МРЭ) на основе редкоземельных наноструктур — монохроматори, поляризационные фильтры, преобразователи и переключатели поляризаций, работающие на принципе наложения внутриатомного Зс1-4Г-резоианса в редкоземельных ионах и эффектов полного внешнего отражения и/или магнитной дифракции.

Практическая значимость результатов

Исследования, выполненные в диссертационной работе, позволили создать теоретический базис для практической реализации нового прецизионного метода диагностики структурных характеристик редкоземельных спиральных магнетиков, ультратонких магнитных пленок и функциональных слоев, магнитных мультислоев и сверхрешеток, нриповерх-. постных слоев объемных редкоземельных магнетиков на основе резонансной рентгеновской магнитооптики.

Создан прогрммпый комплекс, обеспечивающий прямой расчет тензорных диэлектрических характеристик редкоземельных магнитных материалов в области внутриатомного 3d— 4/-резонанса, поляризационных матриц отражения для различных нанострукур, а также реализацию процедур определения структурных параметров из эксперимент льных данных.

На основе полученных в диссертации результатов может быть решена очень р*жлая практическая задача создания магнитоупрадляемых ренттенооптических элементов (МРЭ) для формирования спектральных

/0

її поляризационных характеристик пучков мягкого рентгеновского излучения.

Предложены рентгенооптические элементы — монохроматорU-поляризаторы, поляризационные фильтры, преобразователи н переключатели поляризаций — на основе редкоземельных слоистых наноструктур. Установлены критерии выбора материалов и параметроз наноструктур для обеспечения максимальных магнитооптических эффектов, создан комплект программ для моделирования и выбора оптимальных рабочих характеристик МРЭ.

На защиту выносятся следующие результаты в положения:

1. Динамическая теория магнитной дифракции рентгеновского излучения на несоизмеримых спиральных наноструктурах в редкоземельных магнетиках.

2. Теория резонансных магнитооптических эффектов о геометрии скользящего падения рентгеновского лучка.

3. Метод определения структурных характеристик приповерхностных слоев магнитных материалов, ультрлтонких магнитных пленой, ыультнелоев и сверхрешеток на основе анализа поляризационных магнитооптических эффектов вблизи критического угла полного внешнего отражения.

4. Метод резонансного магнитного управления поляризационными характеристиками рентгеновского излучения.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях м симпозиумах:

а XIX Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Ташкент, 1991)

» Всесоюзной шкоде-семинаре EXAFS-93 (Москва, МГУ, 1993)

в Международной конференции по использованию синхротронного излучения СИ-94 (Новосибирск, 1994)

о Международной конференции по магнетизму MMM-INTERMAG (Альбукерке, 1994)

в Международной конференции по магнетизму (Варшава, 1994)

о 8-й Международной конференции "Тонкая структура рентгеновских спектров поглощения" (Берлин, 1994)

» 2-м Европейском симпозиуме "Рентгеновская топография и дифракция высокого разрешения (Берлин, 1994)

в 4-й Международной конференции "Поверхностное рентгеновское и нейтронное рассеяние'* (Чикаго, 1995)

в 6-й Европейской конференции "Магнитные материалы и их применения? (Вена, 1995)

в 3-й Международной конференции "Физика рентгеновских многослойных структур" (Денвер, 1996)

в 23-й Международной школе по кристаллографии (Эриха, 1996)

в 3-м Европейском симпозиуме "Рентгеновская топография и дифракция высокого разрешения* (Палермо, 1996)

Публикации

По теме диссертации опубликована 31 работа, включая одну монографию.

Структура и объем диссертации