O3 - Magnetooptisches Faraday-Mikroskop

Physikalisches Grundpraktikum
O3 - Magnetooptisches Faraday-Mikroskop
O3 - Magnetooptisches Faraday-Mikroskop
Aufgabenstellung:
Untersuchen Sie die magnetische Hysterese einer magnetischen Dünnschichtprobe.
Bestimmen Sie die Koerzitivfeldstärke.
Stichworte zur Vorbereitung:
optische Abbildung, Mikroskop, Polarisation, magnetische Flussdichte, Magnetisierung,
Hysterese, Koerzitivfeldstärke, Remanenzmagnetisierung, magnetische Flussdichte einer
Spule, Hall-Sonde,
Literatur:
W. Schenk, F. Kremer
Eichler, Kronfeldt, Sahm
W. Demtröder
Physikalisches Praktikum, 13. Auflage, Kap. 1.3, Kap. 2.0.3 und
Kap. 4, Teubner Verlag 2011
Das Neue Physikalische Grundpraktikum, 2. Auflage, Kap. 28,
Kap. 35., Kap. 41, Springer Verlag 2006
Experimentalphysik 2, Elektrizität und Optik, 2. Auflage
Kapitel 7.4 Polarisation elektromagnetischer Wellen
Kapitel 3.5 Materie im Magnetfeld,
Springer Verlag 1999
Abbildungen: A. Haßdenteufel, 2014.
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1.
Theoretische Grundlagen
Polarisation
Im Rahmen der Wellenoptik wird Licht als transversale elektromagnetische Welle beschrieben. Die
Vektoren der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Flußdichte stehen senkrecht
aufeinander, die Schwingungen der Feldvektoren erfolgen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Vor
dem Hintergrund dieser Verknüpfungen zwischen den Feldvektoren genügt es im Allgemeinen,
eine der Feldgrößen zu betrachten.
Im Allgemeinen gehen von einer Lichtquelle mehrere Wellenzüge aus, in denen die
Schwingungsrichtungen der elektrischen Feldstärkevektoren zufällig verteilt sind - man spricht
dann von unpolarisiertem Licht. An jedem durch die Lichtwelle passierten Ort gibt es zu jedem
Zeitpunkt einen resultierenden Feldstärkevektor. Ein Polarisator besteht aus einem Material, das je
nach Schwingungsrichtung unterschiedliche Brechzahlen aufweist. Derartige Materialien werden
anisotrop genannt. Darüber hinaus wird eine Schwingungsrichtung nur gering absorbiert, die dazu
senkrecht stehende Schwingungsrichtung sehr stark. In der Folge wird durch einen Polarisator
tretendes unpolarisiertes Licht linear polarisiert, d.h. es tritt nur eine, durch den Polarisator
bevorzugte Schwingungsrichtung auf. Überlagert man nun zwei senkrecht zueinander linear
!
polarisierte Wellen gleicher Intensität mit einer Phasenverschiebung von ± ! , so erhält man
zirkular polarisiertes Licht: Der resultierende Feldvektor dreht sich in einer Ebene senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung des Lichtes.
Ein Polarisator kann zur Erzeugung linear polarisierten Lichtes eingesetzt werden, er eignet sich
aber auch zur Feststellung der Schwingungsrichtung von bereits linear polarisiertem Licht. In
dieser Anwendung spricht man auch von einem Analysator - man zielt mit dieser Namensgebung
jedoch ausschließlich auf den Anwendungszweck im konkreten optischen Aufbau, nicht auf eine
besondere Bauform oder Funktionsweise ab. Ist die durch den Polarisator bevorzugte
Schwingungsrichtung des elektrischen Feldstärkevektors um den Winkel 𝛼 gegenüber der
tatsächlichen Schwingungsrichtung des Lichtes verdreht, so wird vom betrachteten Feldvektor
lediglich die Projektion 𝐸 cos 𝛼 durchgelassen. Nach dem Analysator schwingt der Feldvektor in
Durchlassrichtung des Analysators. Da die Intensität 𝐼 proportional zum Quadrat der
Schwingungsamplitude des Feldvektors ist, folgt
𝐼 = 𝐼! cos ! 𝛼 − 𝛼! .
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Gleichung (1) wird auch als das Gesetz von MALUS bezeichnet. Dabei sind 𝐼! die vom Analysator
maximal durchgelassene Intensität, und 𝛼! ein Korrekturwinkel der Analysatorskala (es gilt:
𝐼 𝛼! = 𝐼! ).
Drehung der Polarisationsebene und Faraday-Effekt
Beim Durchgang linear polarisierten Lichtes durch einige Stoffe wird die Polarisationsebene
gedreht. Diese Stoffe, wie z.B. Quarz oder Rohrzucker, heißen optisch aktiv. Ursächlich für die
Polarisationsdrehung in optisch aktiven Materialien sind asymmetrische Molekül- und/oder
Kristallgeometrien.
Darüber hinaus kann auch ein magnetischer Fluss innerhalb eines Mediums für eine Drehung der
Polarisationsebene sorgen. Dieser Effekt wurde erstmals 1845 von MICHAEL FARADAY beobachtet
und als Nachweis der elektromagnetischen Natur des Lichtes gewertet. Der für den Effekt
erforderliche magnetische Fluss wurde in Faradays Experimenten mit Hilfe externer Spulen
erzeugt, kann jedoch durch eine Magnetisierung 𝑀 im Material hervorgerufen sein.
Abb. 1: Polarer Faraday-Effekt.
Der polare FARADAY-Effekt tritt in einem Material auf, in dem eine Magnetisierung senkrecht zur
Oberfläche vorliegt (Abb. 1). Eintreffendes linear polarisiertes Licht wird aufgrund der sich
fortlaufend in ihrem Vorzeichen ändernden elektrischen Feldstärke Elektronen im Material zu einer
Oszillationsbewegung in der Polarisationsebene (d.h. in der Ebene des elektrischen Feldes)
anregen. Bei dieser Bewegung strahlen die Elektronen elektromagnetische Wellen ab, die in
gleicher Weise polarisiert sind wie die Primärwelle. Im durch das Material hindurchtretende Licht
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bezeichnet man den wie ursprünglich polarisierten Anteil des Lichtes als reguläre Komponente.
Aufgrund der Magnetisierung im Material wirkt auf die schwingenden Elektronen jedoch eine
zusätzliche LORENTZkraft. Diese bewirkt auch eine Bewegungskomponente senkrecht zur
Polarisationsebene des einfallenden Lichtes. In der Folge strahlen die Elektronen zusätzliche
Elementarwellen mit Polarisation senkrecht zum ursprünglich einfallenden Licht ab. Die
Superposition aller Elementarwellen führt zu einer Verdrehung der Polarisationsrichtung des
Lichtes nach dem Material um 𝜃! , die von der Magnetisierung abhängig ist.
Faraday-Mikroskop
Materialbereiche mit unterschiedlich starker bzw. unterschiedlich orientierter Magnetisierung
verursachen unterschiedliche Faraday-Drehungen der Polarisierungsrichtung des durch das
Material tretenden Lichtes. Offensichtlich werden von diesen Materialbereichen hinter einem
Analysator unterschiedlich große Lichtintensitäten zu erwarten sein (Abb. 2). Um Informationen
über die räumliche Größe und Anordnung der verschieden Magnetisierten Materialzonen erhalten
zu können, wird die Ausnutzung des Faraday-Effektes mit optischer Mikroskopie kombiniert.
Abb. 2: Prinzip der Kontrastentstehung bei der Abbildung im Faraday-Mikroskop.
Abweichend von einem konventionellen Mikroskopaufbau ist dabei das Licht einer primären
Lichtquelle zunächst linear zu polarisieren. Die Probenbeleuchtung geschieht in Transmission. In
den weiteren Mikroskopstrahlengang wird schließlich zwischen Objektiv und Okularlinse der
Analysator eingebracht.
2.
Versuchsdurchführung
Neben der Beschäftigung mit magneto-optischen Effekten ist das Vorgehen bei der Justage eines
optischen Versuchsaufbaus wesentliches Ziel dieses Versuches. Gehen Sie beim Aufbau des
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Versuches überlegt vor, dokumentieren Sie Ihre Schritte im Versuchsprotokoll. Die Justage des
Versuchsaufbaus wird Ihnen im Detail durch den Betreuer erläutert.
Als primäre Lichtquelle dient ein He-Ne-Laser. Arbeiten Sie bei angeschaltetem Laserstrahl mit
größter Vorsicht. Reflektierende Gegenstände, insbesondere Schmuck und Armbanduhren, sind
abzulegen. Ein- und Ausbau von Komponenten in den Strahl ist nur bei abgeschaltetem Laser
bzw. geschlossener Iris-Blende zulässig. Befolgen Sie die Sicherheitsanweisungen des
Versuchsbetreuers.
Justieren Sie den Laser zunächst so, dass der Laserstrahl parallel zur Optikschiene verläuft.
Anschließend sind CCD-Kamera, Abbildungslinse, Objektiv und Probenträger in den Strahlengang
zu bringen. Zuletzt wird der Analysator in Transmissionsstellung positioniert. Das vom Laser
emittierte Licht ist bereits linear polarisiert, so dass auf den Polarisator verzichtet werden kann.
Bilden Sie zunächst ein Objektmikrometer ab, und positionieren Sie die Komponenten so im
Strahlengang, dass möglichst hohe Vergrößerung erzielt wird. Kalibrieren Sie die (horizontale und
vertikale) Auflösung Ihres Bildes.
Für die Untersuchungen zum magneto-optischen FARADAY-Effekt steht eine magnetische
Dünnschichtprobe zur Verfügung. Diese ist bereits auf einem Probenträger montiert, an dem auch
eine Spule befestigt ist. Nutzen Sie zunächst eine HALL-Sonde, um den Zusammenhang zwischen
Spulenstrom und Magnetfeld am Probenort zu untersuchen. Berücksichtigen Sie dabei, dass das
Feld der Spule symmetrisch ist: Das Feld am probenseitigen Ende der Spule ist betragsmäßig
gleich dem an der probenfernen Seite.
Bringen Sie nun die Probe in den Strahlengang und justieren Sie sie hinsichtlich des erreichbaren
magnetischen Kontrastes. Zunächst ist hierzu für den Analysator die Stellung vollständiger
Auslöschung („Null-Transmission“) zu ermitteln. Des Weiteren ist die Richtung des externen
Magnetfeldes zwischen den Justageschritten zu wechseln und auf einen hell/dunkelKontrastwechsel zu achten.
Sättigen Sie anschließend die Probe bei maximalem externen Magnetfeld gemäß der
Anweisungen Ihres Betreuers. Anschließend wird, bei festgehaltenem Bildausschnitt, das äußere
Feld schrittweise variiert, und jeweils nach einer kurzen Wartezeit eine Bildaufnahme angefertigt.
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Der Spulenstrom ist von seinem Maximalwert 𝐼! auf den entgegengesetzt gleichen Wert −𝐼! und
zurück zu verändern. Dokumentieren Sie Ihre gewählten Stromschritte und die Benennung der
zugehörigen Bilddateien!
3.
Hinweise zur Auswertung
Die gewonnenen Abbildungen können zweckmäßig mit dem kostenfreien Bildanalyseprogramm
IMAGEJ bearbeitet werden. Diese steht Ihnen auf dem Mess-PC zur Verfügung. Die Software
ermöglicht beispielsweise die Vermessung von Abständen im Bild (und, mit der
Vergrößerungskalibrierung anhand des Objektmikrometers, die Bestimmung von Strukturgrößen
auf der untersuchten Probe) und die Bestimmung eines mittleren Grauwertes des Gesamten Bildes
(und so eines Maßes für die Magnetisierung der Probe).
Ermitteln Sie die relative Magnetisierung in Abhängigkeit vom externen Magnetfeld und stellen Sie
die resultierende Hysteresekurve dar. Lesen Sie die Koerzitivfeldstärke für beide Feldrichtungen
ab.
Geben Sie für jede äußere Feldstärke eine charakteristische Größe der magnetischen Domänen
an. Tragen Sie diese über dem äußeren Feld auf.
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