Optomagnetic effects in centroantisymmetric and non-centrosymmetric magnetic ordered media
- 作者: Kabychenkov A.F.1, Lisovsky F.V.1
-
隶属关系:
- Fryazino Branch Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics RAS
- 期: 卷 69, 编号 9 (2024)
- 页面: 894-903
- 栏目: РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
- URL: https://journals.rcsi.science/0033-8494/article/view/281996
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0033849424090097
- EDN: https://elibrary.ru/HRGIDQ
- ID: 281996
如何引用文章
全文:
详细
The conditions for the existence of certain homogeneous and inhomogeneous optomagnetic effects due to light-induced changes in the ground state have been determined for the actually existing magnetic ordered single crystals with different magnetic symmetry.
全文:
ВВЕДЕНИЕ
Прохождение света через магнитоупорядоченную среду следует рассматривать как самосогласованный процесс, когда возникающее из-за наличия намагниченности изменение параметров световой волны в свою очередь влияет на модуль и (или) направление вектора намагниченности. При малой интенсивности света его влиянием на намагниченность можно пренебречь, но при большой длине пробега света будут наблюдаться так называемые магнитооптические (МО) эффекты, заключающиеся в изменении поляризации и амплитуды световой волны (см., например, [1–6]). Такие эффекты, обнаруженные более 170 лет тому назад, в настоящее время изучены достаточно подробно. При большой интенсивности света и малой длине пробега, когда параметры световой волны можно считать практически постоянными, могут наблюдаться обратные магнитооптические эффекты, называемые также оптомагнитные (ОМ) эффектами, при которых имеют место изменения модулей и (или) направлений векторов намагниченности подрешеток и магнитных состояний (статических и динамических) (см., например, [7–15]). Экспериментальное исследование ОМ-эффектов началось 60 лет назад [7, 8], когда появились источники мощного когерентного оптического излучения. При промежуточных параметрах возникают продольные и поперечные неустойчивости световой волны. Развития этих неустойчивостей приводят к МО солитонам и МО каналам [11]. К настоящему времени, несмотря на многие работы и обзоры, сведения об ОМ-эффектах нельзя считать исчерпывающими.
Цель данной работы – изучить ОМ-эффекты в средах разной магнитной симметрии.
ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Для определения условий существования однородных и неоднородных ОМ-эффектов в реально существующих монокристаллических магнитоупорядоченных кристаллах с различной магнитной симметрией, обусловленных светоиндуцированными (СИ) изменениями основного состояния, воспользуемся известным выражением для средней по времени плотности энергии кристалла в световом поле (СП) при слабом поглощении
, (1)
где (εij – диэлектрическая проницаемость), Ei – компоненты комплексного электрического поля световой волны [1, 7]. Выделяя симметричную и антисимметричную части в (1) при слабой временной дисперсии (), это выражение можно представить в виде
, (2)
где и – симметричные части тензора «светового напряжения» и диэлектрической проницаемости соответственно, – вектор гирации, – эффективная «напряженность магнитного поля» [14]. В общем случае и зависят от таких параметров (и их производных), как напряженность постоянного электрического поля и поляризация , напряженность постоянного магнитного поля и вектор ферромагнетизма (намагниченность) и вектор антиферромагнетизма , упругие напряжения σij и деформации uij. Следует отметить, что и являются четной и нечетной функциями магнитных параметров, соответственно.
Выражения для СИ электрической индукции, магнитной индукции и упругих деформаций представим соответственно в следующем виде:
, (3)
а для эффективных напряженностей полей электрических, «ферромагнитных и антиферромагнитных» магнитных и для упругих напряжений соответственно в виде
. (4)
Эффективные поля содержат СИ-слагаемые и, следовательно, оптические поля влияют на динамику поляризации, намагниченности подрешеток, упругих смещений [10–15].
ОПТОМАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
Рассмотрим оптомагнитоэлектрический (ОМЭ) эффект. Слагаемое, связанное с этим эффектом, а именно , дает вклад в энергию, равный , который подобен вкладу магнитоэлектрическому и существует в 58 магнитных классах [1, 16–18]. Среди них имеется 21 магнитный класс центроантисимметричных (ЦАС) антиферромагнетиков (АФМ), в частности Cr2O3 (класс симметрии ʹmʹ), где
.
В этом случае выражение для СИ-поляризации имеет вид
и, следовательно, получаем
. (5)
Коэффициенты αE ~ 10–4 [17], эффективное поле G ~ 1 Э при интенсивности излучения I ~ 107 Вт/см2 [10]. В частности, гауссов пучок циркулярно-поляризованный и распространяющийся по оси z (E0y = –iE0x) производит эффективное магнитное поле
,
где G0z = |E0x|2 / 8π – поле в центре пучка, w0 – минимальный поперечный размер пучка, , k – волновое число и, следовательно, создает поляризацию вдоль пучка.
Неоднородный ОМЭ-эффект, связанный со слагаемым , дает вклад в энергию, равный с учетом того, что и, следовательно, СИ-поляризация будет равна
.
Этот эффект существует в АФМ, в которых группа симметрии либо не содержит операцию инверсии времени вообще, либо эта операция входит в группу симметрии в комбинациях с пространственной инверсией или поворотами, и не существует в ЦАС АФМ. По симметрии ОМЭ-эффект подобен пьезомагнетизному эффекту и существует в 66 магнитных классах [1, 18]. Энергия АФМ класса симметрии 4ʹ/mmmʹ(MnF2, CoF2, FeF2) выражается соотношением
, (6)
а компоненты СИ-поляризации составляют
(7)
В отличие от однородного ОМЭ, здесь гауссов пучок Gz создает поляризацию в поперечном сечении
,
где , – базисные векторы. Распределение поляризации будет типа «седло» (антивихрь). Подобный поляризационный СИ-антивихрь будет в магнетиках симметрии 222, mm2, mmm, 4ʹ22, 4ʹmmʹ, ʹ2mʹ, ʹ2ʹm, 23, m3, 4ʹ32, ʹ3mʹ, m3mʹ.
В магнетиках симметрии 422, 4mʹmʹ, 2ʹmʹ, 4/mmʹmʹ, 62ʹ2ʹ, 6mʹmʹ, mʹ2ʹ, 6/mmʹmʹ энергия будет
(8)
и, следовательно, поляризация будет
(9)
Гауссовой пучок создает поляризацию вида
,
где .
В поперечном сечении распределение поляризации будет типа неустойчивого узла («еж»), в отличие от предыдущего примера. Компонента Pz изменяет знак на поверхности 2(x2 + y2) – w2 = 0, в частности, на оси пучка поляризация будет направлена к центру пучка. Следовательно, в магнетиках данной симметрии гауссов пучок наводит поляризационный скирмион. Также поляризационный СИ-скирмион будет в магнетиках симметрии 22ʹ2ʹ, mʹmʹ2, mʹm2ʹ, mmʹmʹ, 4, 4/m, 6, 6/m, 3, 3ʹ, 32ʹ, 3mʹ,mʹ. Кроме того, гауссов пучок с Gz наводит одновременно антивихрь и скирмион в магнетиках симметрии 2, m, 2/m.
Оптомагнитополяризованный (ОМП) эффект, связанный с , подобен ОМЭ-эффекту. Однако неоднородный ОМП, связанный с и энергией , будет отличаться от ОМЭ, поскольку тензор будет несимметричный. Энергию можно представить в виде суммы симметричной части, подобной ОМЭ-эффекту, и антисимметричной части
,
где – СИ-намагниченность, обусловленная неоднородной магнитоэлектрической связью,
,
где enjk – антисимметричный единичный тензор, – вихрь поляризации (электрический тороидный момент). Антисимметричное слагаемое энергии можно записать в виде CnIln, где – четное СИ-поле, сопряженное четному вектору .
В кубических АФМ класса 432, 4ʹ32ʹ, 3m, ʹ3mʹ, m3m, m3mʹ энергия равна и, следовательно, эффективное электрическое СИ-поле равно . Гауссов пучок с Gz наводит вихрь эффективного электрического поля
.
Оптоантиферромагнитоэлектрический эффект, обусловленный слагаемым и, следовательно, энергией , существует в ЦАС АФМ. В этом случае СИ-поляризация равна
и эффективное антиферромагнитное СИ-поле имеет вид
.
Например, в Cr2O3 энергия определяется по выражению
(10)
а СИ-поляризация –
(11)
В СП с Gz компоненты поляризации будут нормальными к компонентам вектора АФМ. Этот эффект в АФМ с эквивалентными подрешетками будет подобным пьезоэлектрическому эффекту и существует в нецентросимметричных (НЦС) АФМ. В АФМ симметрии mm2(KNiPO4) энергия определяется по выражению
а поляризация –
по сравнению с Cr2O3 здесь Распространяющая по оси z циркулярно-поляризационная волна наводит поляризацию с компонентами, параллельными компонентам вектора АФМ (P lLEm || Lm ),.
Нелинейный оптомагнитоэлектрический эффект, определяемый наличием слагаемого и энергии , будет обратным к электромагнитнооптическому эффекту [19]. Этот эффект существует в НЦС-средах симметрии 2, m, 222, mm2, 4, 422, 4mm, 2m, 32, 3m, 6, 622, 6mm, , m2, 2m, 23, 3m, 432. Выражения для СИ-поляризации и намагниченности имеют вид соответственно
В гексагональных кристаллах симметрии выражение для энергии имеет вид
(12)
выражение для СИ-намагниченности можно записать в виде
(13)
а для СИ-поляризации – в виде
(14)
В кубических АФМ симметрии 432 СИ-поляризация и СИ-намагниченность имеют вид соответственно
Если представить тензор в виде суммы симметричной и антисимметричной по индексам jk частей
,
то выражение для энергии приобретает вид
,
где – светоиндуцированный «тороидный момент», – аксиальный тензор второго ранга, – внешнее «поле», сопряженное тороидному моменту. В частности, в кристаллах кубической симметрии 23, 432 тензор и, следовательно, в скрещенных полях (V0z) излучение круговой поляризации с Gz наводит тороидный СИ-момент .
ОПТОПЬЕЗОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Рассмотрим оптопьезомагнитный (ОПМ) эффект. Связанное с этим эффектом слагаемое, описываемое формулой , дает вклад в энергию , подобный пьезомагнитной энергии [1, 20]. ОПМ-эффект существует в АФМ, в которых группа симметрии либо не содержит операцию инверсия времени вообще, либо она входит в группу в комбинациях с пространственной инверсией или поворотами, и не существует в ЦАС АФМ. В антиферромагнетиках MnF2, CoF2, FeF2 (класс симметрии 4ʹ/mmmʹ) энергия равна
и, следовательно, компоненты СИ-деформаций равны
. (15)
На основе работы [20] можно считать, что величина коэффициентов равна αu ~10–6 Э/(дин/см2). Из (15) видно, что гауссов пучок Gz создает деформации в поперечном сечении пучка.
Неоднородный ОПМ-эффект является аналогом флексомагнитного эффекта [14, 21, 22] и обусловлен слагаемым . Энергия при этом равна , a деформации . Тензор оптофлексомагнитного эффекта изменяет знак под действием операций временной и пространственной инверсии. Следовательно, эффект отсутствует в кристаллах, магнитная группа которых содержит операции обращения времени и пространственной инверсии. Однако этот эффект может существовать в кристаллах, магнитная группа которых содержит операцию центроантиинверсии (произведение операций инверсии во времени и в пространстве). К точечным магнитным группам, содержащим эту операцию, принадлежат следующие:
- кубические mʹ3, mʹ3m, mʹ3mʹ;
- тетрагональные 4/mʹ, 4ʹ/mʹ ,4/mʹmʹmʹ (Fe2TeO6), 4/mʹmm, 4/mʹmʹm;
- гексагональные 6/mʹ, 6ʹ/m, 6ʹ/mmm, 6/mʹmʹmʹ, 6/mʹmm, ʹ, ʹmʹ(Cr2O3), ʹm;
- ромбические mʹmʹmʹ, mmmʹ (Cr2TeO6,Cr2WO6, V2WO6);
- моноклинные 2/mʹ, 2ʹ/m;
- триклинная ʹ.
Для кристалла Cr2O3 выражение для энергии записывается в виде
(16)
где при индексировании компонент тензора 4-го ранга были использованы следующие замены: 11 → 1, 22 → 2, 33 → 3, 23 → 4, 31 → 5, 12 → 6, 32 → 7, 13 → 8, 21 → 9. После использования указанных замен выражения для СИ-деформаций приобретают вид
(17)
а гауссов пучок Gz вызывает относительное изменение объема
.
При отдалении от оси пучка знак изменения объема поменяется.
ОПТОФЛЕКСОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Обратный эффект Фарадея, связанный со слагаемым и энергией , существует во всех средах [1], а СИ-намагниченность при этом составляет .
Существование оптофлексомагнитного эффекта связано со слагаемым
,
где , с соответствующей энергией
Этот эффект подобен пьезоэлектрическому эффекту и существует в НЦС-магнетиках следующих кристаллических групп: ромбических 222, тетрагональных 422, 42m, , ромбоэдрических 32, гексагональных 622, , m2 и кубических 23, 3m, 432. Намагниченность при этом составляет
.
В гексагональных кристаллах симметрии энергия определяется по выражению
(18)
а выражения для компонент намагниченности имеют вид
(19)
В магнетиках симметрии 23, 3m энергия определяется выражением
(20)
и, следовательно, гауссов пучок с Gz наводит магнитный СИ-антивихрь –
.
Неоднородный ОМ-эффект, связанный со слагаемым
и энергией
,
существует в НЦС-магнетиках. Выделяя симметричную и антисимметричную части тензора, энергию можно записать как
,
где – вихрь намагниченности (магнитный тороидный момент), – магнитоэлектрическое СИ-поле,
.
В ферромагнетике с классом симметрии 23 энергия равна
(21)
и эффективное магнитное СИ-поле –
(22)
Гауссов пучок с Gz наводит поле типа антивихрь
.
В кубических магнетиках симметрии 432 энергия равна
и, следовательно, эффективное магнитное СИ-поле равно
.
Световой луч с Gz наводит вихревое магнитное поле
подобно электрическому току.
Оптофлексоантиферромагнитный эффект, за который ответственно слагаемое и энергия , существует в ЦАС АФМ [22], а также в НЦС АФМ с эквивалентными подрешетками.
НЕОДНОРОДНЫЕ ОПТОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ КОТТОНА–МУТОНА
Оптомагнитные эффекты, обусловленные симметричной частью тензора диэлектрической проницаемости типа
,
проявляются в виде СИ-изменений обменного поля, поля анизотропии, намагниченности подрешеток [8–15].
Неоднородные обратные эффекты Коттона–Мутона (К–М), описывающие слагаемые [21]
,
и обратные эффекты К–М в электрическом поле, описывающие слагаемые
,
существуют в НЦС магнетиков, а обратные эффекты К-М в поле упругих напряжений
существуют в любых НЦС-магнетиках.
Оптомагнитные эффекты, описывающие слагаемые
существуют в ЦАС АФМ и в НЦС АФМ с эквивалентными подрешетками.
ОМ-эффект К–М в неоднородном магнитном поле () и в поле линейно поляризованной по x волны в АФМ симметрии ʹmʹ(Cr2O3), ʹm, ʹ определяется энергией
и, следовательно, СИ-намагниченность имеет вид
В однородном СП намагниченность определяется неоднородностями вектора антиферромагнетизма, в частности, , в отличие от слабого ферромагнетизма [1, 3, 23].
В магнитном и электрическом поле и в поляризованном по z СП в магнетиках симметрии ʹmʹ, ʹm, ʹ энергия будет
(23)
и, следовательно, СИ-намагниченность равна
(24)
а СИ-поляризация равна
(25)
Гауссов пучок с линейно-поляризованным излучением наводит намагниченность, так же как циркулярно-поляризованным излучением.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты описанных выше исследований представляют определенный интерес не только в гносеологическом плане, но и с точки зрения возможности их практического использования. При этом вряд ли стоит надеяться на однородные ОМ-эффекты, поскольку они проявляют себя лишь при большой интенсивности светового поля, в отличие от неоднородных ОМ-эффектов, которые могут проявлять себя и в слабом световом поле с достаточно сильной неоднородностью [21]. Рассмотренные выше эффекты можно использовать для управления магнитными и электрическими параметрами магнетиков путем СИ-наведения или изменения параметров за счет СИ-полей. Эффективные СИ-поля обладают несомненными преимуществами по сравнению с обычными полями, поскольку они локализуются в пределах светового луча, могут иметь очень малую длительность и не создают электромагнитных помех. Кроме однородных и неоднородных «обобщенных поляризаций» , , , , СП наводит неоднородные «поляризации» высшего порядка (например, полоидальные дипольные моменты, спиральные структуры).
Учесть временную дисперсию можно путем замены на = . Рассмотренные ОМ-эффекты будут слабыми из-за нелинейности и низких величин МО-констант. Поэтому они будут более заметными вблизи точек неустойчивости (статических и динамических) состояний, например, близи точек фазовых переходов и точек образования МО-солитонов и МО-каналов [10, 11, 15, 24].
Свет производит СИ изменений во всех подсистемах магнетика, а также нагревает магнетик. Поэтому приходится использовать короткие мощные импульсы в эксперименте. Мощный пучок излучения наводит квазистатические и динамические, однородные и неоднородные изменения в магнитной, поляризационной и упругой подсистемах, поэтому однозначная интерпретация будет нелегкой задачей.
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Работа выполнена в рамках госзадания для Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
作者简介
A. Kabychenkov
Fryazino Branch Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics RAS
Email: lisovsky.f@yandex.ru
俄罗斯联邦, Vvedensky Square, 1, Fryazino, Moscow Region, 141190
F. Lisovsky
Fryazino Branch Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics RAS
编辑信件的主要联系方式.
Email: lisovsky.f@yandex.ru
俄罗斯联邦, Vvedensky Square, 1, Fryazino, Moscow Region, 141190
参考
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992.
- Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики. М.: Наука, 1979.
- Туров Е.А., Колчанов А.В., Меньшинин В.В. и др. Симметрия и физические свойства антиферромагнетиков. М.: Физматлит, 2001.
- Смоленский Г.А., Писарев Р.В., Синий И.Г. // Успехи физ. наук. 1975. Т. 116. № 2. С. 231.
- Звездин А.К., Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. М.: Наука, 1988.
- Ожогин В.И., Шапиро В.Г. Физические величины / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З.Мелихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.
- Питаевский Л.П. // ЖЭТФ. 1960. Т. 39. № 5. С. 1450.
- Pershan P.S., van der Ziel I.P., Malmstrom L.D. // Phys. Rev. 1966.V. 143. № 2. P. 574.
- Балбашов А.М., Зон Б.А., Купершмидт В.Я. и др. // ЖЭТФ. 1988. Т. 94. № 5. С. 304.
- Кабыченков А.Ф. // ЖЭТФ. 1991. Т. 100. № 10. С. 1219.
- Kabychenkov А. // Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics. Non-linear Electromagnetic Systems / Ed. V. Kose, J. Sievert. Amsterdam: IOS Press, 1998. V. 13. P. 879.
- Иванов Б.А. // Физика низких температур. 2014. Т. 40. № 2. С. 119.
- Калашниковa А.М., Киммель А.В., Писарев Р.В. // Успехи физ. наук. 2005. Т. 185. № 10. С. 1064.
- Кабыченков А.Ф., Лисовский Ф.В. // ЖТФ. 2022. Т. 92. № 3. С. 453.
- Кабыченков А.Ф. // ФТТ. 2006. Т. 48. № 3. С. 485.
- Дзялошинский И.Е. // ЖЭТФ. 1957. Т. 37. №3. С. 881.
- Астров Д.Н. // ЖЭТФ. 1960. Т. 38. №3. С. 984.
- Birss R. Symmetry and Magnetism. Amsterdam: North-Holland Publ. Co, 1964.
- Кричевцов Б.Б., Писарев Р.В., Селицкий А.Г. // Письма в ЖЭТФ. 1985. Т. 41. №6. С. 259.
- Боровик-Романов А.С. // ЖЭТФ. 1960. Т. 38. №4. С. 1088.
- Кабыченков А.Ф., Лисовский Ф.В. // ЖЭТФ. 2014. Т. 145. № 4. С. 733.
- Кабыченков А.Ф., Лисовский Ф.В. // ЖТФ. 2019. Т. 89. № 7. С. 1039.
- Дзялошинский И.Е. // ЖЭТФ. 1957. Т. 32. № 6. С. 1548.
- Кабыченков А.Ф. // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. № 1. С. 45.
补充文件
