מגנטו-אופטיים ומשולשים-אפיון של מבנים ננוטוני

Summary

מבנה הלהקה של פוטטון מאפשר להבין כיצד מופצים מצבים אלקטרומגנטיים מוגבלים בתוך גביש פוטוני. בקריסטלים פוטוני המשלבים אלמנטים מגנטיים, מצבים אופטיים כאלה ומוגנטים, מלווים בפעילות מגנטית-אופטית משופרת ושונתה. אנו מתארים הליך מדידה כדי לחלץ את המבנה להקה אופטית מגנטו על ידי מיקרוסקופ חלל פורייה.

Abstract

גבישים photonic הם ננו מבנים תקופתיים שיכולים לתמוך מגוון של מצבים אלקטרומגנטיים סגורים. מצבים כאלה סגורים מלווים בדרך כלל על ידי שיפור מקומי של עוצמת השדה החשמלי המחזק אינטראקציות בחומר האור, המאפשר יישומים כגון פיזור משופרת משטח (SERS) והמשטח הפלשני מוגברת חישה. בנוכחות של חומרים פעילים מגנטו, שיפור השדה המקומי מעניק לפעילות מגנטו-אופטיים חריגה. בדרך כלל, המצבים הסגורים של גביש פוטוני נתון תלוי בחוזקה על אורך הגל ואת זווית השכיחות של האירוע קרינה אלקטרומגנטית. לפיכך, מדידות ספקטרליות וזוויתית מסוימות נחוצות כדי לזהות אותם במלואם, כמו גם כדי לבסס את הקשר שלהם עם פעילות מגנטו-אופטי של הגביש. במאמר זה, אנו מתארים כיצד להשתמש במיקרוסקופ פורייה (מטוס ממוקד) לאפיון דגימות אקטיביות מגניטית. כמערכת מודל, כאן אנו משתמשים בפומפיה פלמונית הבנויה ממגנסטית פעילה מגניטית או מרובת שכונתיות/Au. בניסויים, אנו להחיל שדה מגנטי על הסורגים באתרו ולמדוד את התגובה מרחב הדדית שלה, קבלת תגובה מגנטו אופטי של הסורגים על מגוון של אורכי גל וזוויות האירוע. מידע זה מאפשר לנו לבנות מפה מלאה של מבנה הלהקה הפלמונית של הסורג והזווית ופעילות מגנטו-אופטיים תלויי אורך הגל. שתי התמונות הללו מאפשרות לנו לאתר את ההשפעה שהתהודה של הפלמון משפיעה על התגובה המגנגניאופטית של הפומפיה. הגודל הקטן יחסית של אפקטים מגנטו-אופטיים דורש טיפול קפדני של אותות אופטיים שנרכשו. לשם כך, מונחת פרוטוקול עיבוד תמונה לקבלת תגובה מגנטו-אופטיים מהנתונים הגולמיים שנרכשו.

Introduction

מצבים אלקטרומגנטיים מוגבלים בגבישים פוטוני יכול לנבוע ממגוון של מקורות שונים, כמו פלמון מהדהד סביב ממשקי מתכת/מדידות או מהדהד מ.^א. ב. השבירה הגבוהה מדד מבנים ננו 1^,2,3, והוא יכול להיות מיועד להופיע על תדרים מוגדרים באופן ספציפי^4,5. נוכחותם מעניקה לתופעות מרתקות רבות כגון פערי להקות פוטוני^6,7,8, לוקליזציה של פוטון חזק⁹, אור איטי¹⁰ ו איצטרובלים של דיראק¹¹. מיקרוסקופ מישור פורייה וספקטרוסקופיה הם כלים בסיסיים לאפיון ננו-מבנים, כפי שהם מאפשרים לכידת תכונות חיוניות רבות של מצבים סגורים המתרחשים בהם. במיקרוסקופיה פורייה לחלל, בניגוד לדימות מטוס אמיתי קונבנציונאלי, המידע מוצג כפונקציה של קואורדינטות זוויתי^12,13. הוא ידוע לחילופין מטוס מוקד בחזרה (BFP) הדמיה כמו הפירוק זוויתי של האור הנובע המדגם נרשם מהמטוס מוקד האחורי של מטרת המיקרוסקופ. הספקטרום הזוויתי, דהיינו, פליטת השדה הרחוקה של המדגם קשורה למומנטום של אור הנובע ממנו (ħk). בפרט, הוא מייצג את המומנטום במישור (k_x, k_y) התפלגות¹⁴.

בדגימות פעילים מגנטו-אופיטים, נוכחות של מוטטים מוגבלים של הרגש הוכח כתוצאה משיפור ניכר של התגובה האופטית של מגנטו^{15,16,17,18,19}. מגנטו-אפקטים אופטיים תלויים בגיאומטריה ההדדית של השדה המגנטי ובמקרה של קרינה אלקטרומגנטית. הנפוצות ביותר שאירעו בעיקר מגנטו-אופטי גיאומטריות לאור מקוטב בצורה בינארית והמינוח שלהם מתוארים באיור 1. כאן, אנו להדגים התקנה כי ניתן להשתמש כדי לחקור שני אפקטים מגנטו-אופטיים הנצפים בהשתקפות: השפעות רוחבי ואורכי מגנטו-אופטי קר, מקוצר, בהתאמה, כמו TMOKE ו LMOKE. TMOKE היא אפקט אינטנסיביות, שבו השתקפות של מדינות מגנטיזציה מנוגדות שונות בעוד LMOKE מתבטא כסיבוב של הציר האור המשתקף משתקף. ההשפעות מובחנים על ידי כיוון המגנטיזציה ביחס לשכיחות האור, שם LMOKE, המגנטיזציה מכוונת במקביל לרכיב המטוס של וקטור הגל של האור תוך TMOKE הוא רוחבי אליו. לאור המקרה הרגיל, הן רכיבי המישור של המומנטום של האור הם null (k_x = k_y = 0) וכתוצאה מכך, שני האפקטים הם אפס. תצורות שבהן ניתן להציג את שני ההשפעות הן בקלות. עם זאת, כדי לפשט את ניתוח הנתונים, בהפגנה זו אנו מגבילים את עצמנו למצבים שבהם רק אחד ההשפעות קיים, כלומר TMOKE.

תצורות אופטיות אחדות ניתן להשתמש כדי למדוד את התפלגות זוויתי של אור הנפלט גבישים magnetophotonic. לדוגמה, ב קאליש ואח '²⁰ ובורבקובה ואח '²¹, מלכודת כזאת הייתה בשימוש מוצלח בגיאומטריה של שידור כדי לחשוף את ההשפעה הפלסטיות על תופעות מגנטו-אופטיות. כאיור, ב Kurvits ואח '²², כמה תצורות אפשריות מוצגות עבור מיקרוסקופ המשתמשת בעדשה האובייקטיבי אינסוף מתוקן. בתצורה שלנו, מתוארת באיור 2א, אנו משתמשים בעדשה מתוקנת אינפיניטי שבה האור המגיע מנקודה נתונה במדגם מופנית העדשה האובייקטיבית לתוך הקורות הקולינאריות. באיור 2א, קורות המתעוררים מלמעלה (קווים מקווקווים) והחלק התחתון (קווים אחידים) של המדגם מתוארים ביניהם. לאחר מכן, עדשת איסוף משמשת למקד את הקורות האלה כדי ליצור תמונה במישור התמונה (IP). העדשה השנייה, הידועה גם בשם ברטרנד עדשה, ממוקם לאחר מכן לאחר מטוס התמונה להפריד את האור הנכנס במישור המוקד שלה לתוך רכיבים זוויתי, מתואר באיור 2א באדום, כחול ושחור. מתוך מטוס מוקד אחורי זה, התפלגות זוויתית של האור הנפלט על ידי המדגם ניתן למדוד עם מצלמה. באופן יעיל, העדשה ברטרנד מבצעת התמרת פורייה על קרן האור המגיעה אליו. התפלגות העוצמה המרחבית ב-BFP תואמת להתפלגות הזוויתית של קרינת האירוע. מרחב הדדי מלא השתקפות ההשתקפות של המדגם ניתן להקים על ידי הארת המדגם עם מטרה זהה המשמש לאיסוף התגובה של המדגם. קורות התאורה הנכנסות והחוצה מופרדות באמצעות מפצל קרן. הכיוונון המלא מתואר באיור 3א. כדי להשיג ספקטרום, יש צורך במקור אור הניתן להשגה או במונכרומאטור. לאחר מכן ניתן לחזור על המדידה באמצעות אורכי גל שונים, ולזכור שבגלל הספקטרום של מקורות האור הסטנדרטיים, התוצאות צריכות להיות מנורמלות להשתקפות של דגימת בקרה. למטרה זו, ניתן להשתמש במראה או בחלק מהדוגמה שנותרה במתכוון ללא תבנית כדי לאפשר השתקפות גבוהה. כדי לסייע במיקום, אנו מראים כיצד לשלב את הכיוונון עם מערכת אופטית נוספת המאפשרת הדמיה של מרחב אמיתי של המדגם, המוצגת באיור 2ב.

כעת אנו ממשיכים להקים שיטה למדידת ספקטרום של מגנטו-אופטי זוויתי של גביש פוטטון, שימוש כדוגמה מייצגת, פומפיה DVD מכוסה בסרט Au/Co/Au שבו הנוכחות של קובלט ferromגנטית מעניקה עלייה לפעילות מגנטו-אופטי ניכרת²³. הגלי המחזורית של ה-DVD פומפיה מאפשר משטח פלמון polariton (SPP) מהדהד בצירופים שונים באורך הגל-זווית הניתנים על ידי

כאשר n הוא מדד השבירה של הסביבה הסובבת, k₀ וקטור הגל של אור בחלל החופשי, θ₀ זווית השכיחות, d תקופתיות של פומפיה ו - m הוא מספר שלם המציין את הסדר של spp. וקטור גל SPP ניתן על ידי שם ε₁ ו- ε₂ הם הפרמידות של השכבה מתכתי הסביבה מדידות סביב. בשל העובי של הסרט הזהב/קובלט רב שכבתי, אנו יכולים להניח כי spps הם נרגשים רק על גבי הסרט רובת שכבות.

Protocol

1. הרכבה של ההתקנה

1. אופטיקה
   הערה: בנה את הכיוונון כמתואר באיור 3א בטבלה אופטית עם בידוד מספיק רטט. כדי להימנע מסטיות כדוריות ואחרות, מרכז את כל הרכיבים האופטיים (עדשות, פינחורים וכו ') ביחס לקרן. הסידור האופטי מוצג באיור 2 עם המרחקים בין הרכיבים המצוינים.
   1. מדריך את האור ממקור האור הלבן כדי monochromator כדי לקבל קרן אור מונוכרומטי. עיין ברשימת החומרים לקבלת פרטים על הכיוונון המשמש בעבודה זו. הגדר את monochromator על אורך הגל כי יש עוצמה טובה וניראות, למשל, 550 nm. אורך הגל מהחלק הנראה של הספקטרום מקל על מיקום הרכיבים האופטיים.
   2. באמצעות עדשת זיווג, זוג האור לסיב וקולימלאכול אותו עם מטרה בהפסקת הסיבים. בהתאם למקור האור שבשימוש, ייתכן ששלב זה יושמט.
   3. מקום מקטפן 250 מ"מ מן העדשה ההזדווגות לתוך מקטטת בצורה לינארית את הקרן ואת המקום מפצל הקורה 100 מ"מ מן הקיטוב כדי להנחות את האור לעדשה אובייקטיבי המיקרוסקופ.
      הערה: בשל הקרן הקולמאנית, המיקומים המצוינים של הרכיבים הנ ל אינם משפיעים על האופטיקה של הגדרת המדידה וניתנים רק להדרכה.
   4. מניחים את המדגם על המחזיק לדוגמה מצויד בשלב x-y-z הבמה הסיבוב המאפשר סיבוב מדגם 360 מעלות סביב ציר z, כלומר, את הציר של האור המפינג על המדגם.
   5. הר את העדשה האובייקטיבית על שלב התרגום המאפשר תנועה בשלושה כיוונים. המכריע שבהם הוא ציר z הדרוש להתמקדות על המדגם.
      הערה: הציוד הנדרש לתרגום מדגם תלוי בדגימות המשמשות. דגימות גדולות והומוגניים עשויות להיות ממוקמות באופן ידני בעוד שדגימות עם שטח שימושי קטן ידרשו מיקום זהיר יותר, במיוחד כאשר משתמשים בנקב כדי להגביל את אזור הדימות (שלב 1.1.7.). האופטיקה של הקורה המתעוררים מן המדגם מתואר באיור 2. עדשת האינסוף מתוקנת מכוונת חזיתות גל המתעוררים מכל נקודה של המדגם לתוך הקורות קוליניאריות.
   6. מקום עדשה אספן עם f = 200 מ"מ (העדשה הצינור), 330 מ"מ מהמטרה כדי למקד מחדש את הקורות כדי ליצור תמונה במישור התמונה. בשל התפשטות הקולינאריות של האור הנובע המדגם, העדשה אספן ניתן להציב בכל מרחק מן העדשה אובייקטיבי.
      הערה: כבעבר, האור המתהווה מהעדשה האובייקטיבית הוא collimated. עם זאת, את העדשה צינור צריך להיות ממוקם לאחר מפצל הקורה.
   7. מניחים נקב במישור התמונה ב 200 מ"מ מעדשת האספן כדי להגביל את אזור הדימות לאזור התבנית. מניחים את החור במרכז הקרן. אם נעשה שימוש בנקב, השתמש בתמונת החלל האמיתית של המדגם כדי למקם אותה. לדגימות שבהן אזור התבנית גדול יותר מהאזור המואר בקרן האור, אין צורך בכך.
   8. המקום עדשה השני עם f = 75 מ"מ (עדשה ברטרנד), 120 mm לאחר מטוס התמונה כדי ליצור התמרת פורייה של הרכיבים זוויתי של התמונה. השינוי נוצר במוקד של העדשה השנייה ואת התמונה עם מצלמה sCMOS מדעית אשר ממוקם 75 מ"מ מן העדשה ברטרנד.
   9. עבור מדידות LMOKE בלבד, להוסיף מקטזר נוסף עם זווית ביחס להמקטצר הראשון בין מפצל הקרן לבין עדשת אספן.
2. גנט
   1. חבר את המגנט לספק כוח וטען אותו כך שניתן יהיה להחיל את השדה המגנטי על המדגם. בחר אם השדה המגנטי מוחל בכיוון האורך, הגלגול או הכיוון הקוטבי (איור 1).
3. הכנה לדוגמא
   1. פירוק מכנית של דיסק DVD מסחרי; לאחר מכן משטח סורגים חשוף יכול להיות מזוהה בקלות בשל דיפרקטיבית שלה מאפיינים. השתמש בסרט דביק כדי לקלף את הציפויים הקודמים. לנקות את פני השטח, להשרות אותו באתנול במשך 10 דקות. הסורגים מוכנים כעת לקבל ציפוי מגניפלונית.
      הערה: דיסקים אופטיים מסחריים שונים כגון Blu-ray ותקליטורים, עשויים להזדקק לפרוטוקול הכנה שונה.
   2. הכנס את סרט המתכת על הסורגים החשופים על ידי התאיידות של קרן האלקטרונים. כדי להבטיח חספוס נמוך, השתמש בקצבי אידוי הקטנים מ-5 Å/s.
   3. החל עם 4 ננומטר שכבה הדבק Cr, הפקדה לסירוגין זהב שכבות קובלט, גימור עם שכבת הסגירה זהב כדי להבטיח הגנה מפני חמצון.
      הערה: השתמשנו במספר הבא של שכבות ועוביים: Cr (4 ננומטר)/Au (16 ננומטר)/[שיתוף (14 ננומטר)/Au (16 ננומטר)] × 4/Co (14 ננומטר)/Au (7 ננומטר).
   4. ביצוע מיקרוסקופ אופטי או אלקטרוני (איור 4א) כדי לוודא את תנאי פני השטח לדוגמה, במקרה של הומוגניות ופגמים נמוכים להמשיך עם המדידה.

2. הליך מדידה

1. מיצוב לדוגמה
   הערה: כדוגמה להמחשה, אנו מודדים מכשיר DVD המכוסה בסרט מגניפלפלבין או/קו-או. בשל הגלי המחזורית של הפומפיה, SPPs יכול להיות נרגש בזוויות מסוימות של שכיחות מבוסס על הגל הקדמי של גל.
   1. הר את המדגם על מחזיק המדגם באמצעות טיפה קטנה של צבע כסף. תן לצבע הכסוף להתייבש. במשך 10 דקות
   2. הוסף מראה היפוך לאחר מישור התמונה כדי לאפשר הדמיה של מרחב אמיתי של המדגם. הוספת עדשה L1 עם f = 125 mm כך מטוס התמונה הוא בפוקוס ובמקום L2 עם f = 250 מ"מ במרחק 135 מ"מ מ L1.
   3. בסופו של דבר מקום תשלום מצמידים המכשיר (CCD) מצלמה 210 מ"מ מ-L2 כדי ללכוד תמונה מוגדלת של מטוס התמונה. העבר עדשות L1 ו-L2 עד החור ממוקם במישור התמונה בפוקוס טוב על מצלמת CCD.
   4. להעביר את העדשה אובייקטיבי לעבר המדגם עד המדגם הוא בפוקוס טוב במצלמת CCD.
2. מדידה של השתקפות אופטית
   1. באמצעות תמונת החלל הממשי של המדגם, הצב את נקודת האור על-גבי חלק רפלקטיבי (ללא תבנית) של המדגם. הפוך את המראה היפוך כדי לראות את BFP של המיקרוסקופ.
      הערה: כאן, עבור ה-DVD-פומפיה, אנו משתמשים בסרט מתכתי רציף בקצה של דיסק ה-DVD.
   2. בחרו באזור המישור האחורי המתאים למצב הקיטוב הרצוי. הקשר בין קיטוב לבין התנוחה במישור המוקד האחורי מוצג באיור 3ב. בחר אזור מעניין (aoi) כמקטע צלב מלבני של המישור המוקד היעד בחזרה (מלבן כחול באיור 3ג) לאורך הציר המתאים TM-polarization.
      הערה: בתוכנת המכשור המשמשת בכתב יד זה, מושגת על ידי בחירת AOI באמצעות בוררי הסמן. לאחר מכן, התוכנה מקבילה למידות הכוונות לאורך הממד הקצר של המלבן ומתייחסת לספקטרום המתקבל כמערך הנתונים התלת-ממדי שבו כל נקודת נתונים מתאימה לזווית פליטה שונה של המדגם. בעזרת מפלסי פלסטיק, רק אור מקוטב, כלומר, קרינת EM עם שדה חשמלי בניצב לחריצים, יכולה להלהיב את התהודה של הפלשני. כך, בהתאם לאוריינטציה סורגים, יש צורך לבחור את המצב הקיטוב הנכון על ידי בחירת פרוסה אנכית או אופקית של BFP.
   3. מדוד את הספקטרום של מקור האור על-ידי לחיצה על מדדי הנורמליזציה, שישמשו מאוחר יותר כדי לנרמל את נתוני ההשתקפות הנמדדת. כפי שאורך הגל מניב ערכת 1D של נקודות נתונים, הספקטרום המלא של מקור האור נשמר כ-2D טנסור שבו כל נקודת נתונים מייצגת שילוב של אורך הגל והזווית.
   4. שימוש חוזר תמונת החלל האמיתי של המדגם, למקם את מקור האור על הגביש פוטוני של הריבית. כאשר מעבר חזרה ל-BFP, ודא שמצבי הפלשני גלויים כקווים אפלים החוצים את מישור המוקד האחורי. הקווים זזים כאשר אורך הגל של אור האירוע משתנה.
   5. באמצעות אותו aoi והגדרות מדידה (כלומר, זמני חשיפה, מספר ממוצעים), למדוד את ספקטרום השתקפות של קריסטל פוטוני על ידי לחיצה על השתקפות מדידה ספקטרום.
   6. כדי להסביר את הווריאציה הספקטרלית בעוצמת מקור האור, יש לנרמל את הספקטרום המתקבל בספקטרום של מקור האור. פעולה זו תניב מערך דו-ממדי של מספרים בין 0 ל-1 כאשר 1 מתאים לרפלקטיבית מלאה ו -0 לתנאים מלאים.
3. מגנטו-מדידה אופטית
   1. הפעל את המדידה מגנטו-אופטיים על-ידי מדידת לולאת היסטרזיס באמצעות זווית ואורך-גל הידועים כמתאימים לתגובה מגנטו-אופטית טובה, בדרך כלל ניתן למצוא תנאים אלה קרוב להפרוציות SPP. כדי לעשות זאת, לבחור AOI קטן ליד ההתרגשות SPP ולמדוד לולאה אחת.
      הערה: ניתוח הנתונים הדרושים לכמת את הפעילות מגנטו-אופטי תלוי בסוג המגנטיות המוצגים במדגם. כאן אנו מניחים תגובה מפרגנטית ומטפלים בתוצאות בהתאם. Dia-או התגובה פאראמגנטית הוא ביסודו של דבר ליניארי להחיל שדה מגנטי ניתן לכמת כמו שינוי תכונות אופטיות לפי יחידת שדה מגנטי מיושם. חומרים פרומגנטיים מציגים את הפרקטיביות הלא-לינארית הדורשת שיקול נוסף בעת הגדרת התגובה המגנטית-אופטית (ראה איור 3ד). TMOKE מוגדר כשינוי בעוצמה משתקף כפונקציה של שדה מגנטי שהוחל, כלומר , איפה אני (M) היא האינטנסיביות המשתקף על ידי המדגם במצב מגנטיזציה M.
   2. באמצעות לולאת היסטרזיס הנמדדת ב2.3.1, בחר את טווח השדות המגנטיים ללולאה. עבור דגימות פרומגנטיות, העבר את השדות ממצב רווי לחלוטין למצב רווי בלתי מתפקד, תוך הרחבת הטווח בנוחות על שדה הרוויה. מאוחר יותר, השתמש בנקודות הנמדדות במצב הרווי כדי לנתח ולהסיר כל תרומה מדיה או מגנטית הניתנת לאימות על-ידי התרומה הליניארית שלהם.
   3. לבסוף, למדוד את העוצמה המשתקף על ידי המדגם בכל נקודת שדה מגנטי מוגדר, חוזר על לולאות מרובות אם יש צורך. כל אורך הגל ונקודת מגנטוטיזציה מפיקות מערך 1D בודד של נתונים מספריים (כלומר, נמדד בעוצמת האור) כאשר כל נקודה במערך תואמת לזווית מסוימת.

3. ניתוח נתונים

1. באמצעות לולאת היסטרזיס של המדגם הנמדד בשלב 2.3.1, הקצה כל מסגרת הנמדדת בשלב 2.3.3. לאחת ממצבי הרוויה או למצב הביניים (איור 3ג).
2. התעלם ממסגרות ביניים וחשב את הפעילות המגנמית-אופטית מעוצמות הכוונות הנמדדות על-ידי , כאשר הפעולות מתבצעות בנפרד עבור כל נקודת נתונים זוויתית ואורך גל.
   הערה: כאשר TMOKE מתבטא כשינוי בעוצמה יחסית, התוצאות אינן צריכות להיות מנורמלות לספקטרום המנורה.
3. אם המדגם מציג גדול פאראמגנטי (או לעתים רחוקות יותר, דיאמגנטיות) פעילות שצריך להיות מופחתים על השוואה אמינה בין מדינות מגנטיות רווי, להפחית את התרומה הליניארית הנובעת מפעילות פרה או דיאמגנטיות על ידי התאמת קו (שוב, pixelwise בנפרד עבור כל זווית ונקודת אורך הגל) על הנקודות נמדד הרוויה ולהסיר את התרומה הליניארית.

Representative Results

איור 4a מראה מיקרוסקופ אלקטרוני סריקה (SEM) מיקרוגרף של פומפיה מסחרית DVD מכוסה עם Au/Co/Au רב שכבתי שהשתמשו במדגם הדגמה בניסויים שלנו. ספקטרום אופטי ומגניסי אופטי מוצגים באיור 4ב, ג בהתאמה. פרטים על הייצור לדוגמה מוצגים במקומות אחרים²³. קווים שחורים באיור 4א, B הצג את הקשרים הנפיצה בפלמון שחושבו ממשוואה 1. הדיאלקטרי של השכבה המרוכזת של Au/Co/Au מועבר מקובץ נתונים משלים 1 ב Cichelero et al.²⁴ שבו נמדד ריבוי שכבות באמצעות ספקטרוסקופית מדומה. תקופתיות של הפומפיה היא ההנחה היא 740 ננומטר. קווי הפיזור המחושבים תואמים לטבילה בולטת בהשתקפות באיור 4a הנובעת מקרינת התקרית המומרת לתוך spps ומתפוגג באמצעות הופסי.

הקשר בין תנוחות הפיקסל במישור המוקד האחורי (איור 3ג) ואת זווית הפליטה ניתן להקים כדלקמן: זווית מקסימלית θ_max שבה המטרה יכולה לקבל אור ניתנת על ידי הנוסחה תלוי בצמצם מספריים NA = 0.8 ואינדקס השבירה של המדיום המקיף (אוויר, n = 1). זוהי זווית המקבילה הקיצוניויות של האזור המואר של המישור פורייה. ניתן להקצות לפיקסלים מספר באופן ליניארי מ-na To +na המשקף את הצמצם המספרי בעמדתם והזווית המתאימה שלהם מוענק לאחר מכן על-ידי הסינוס ההופכי של מספר זה (מחולק ב- n אם יש צורך בכך).

איור 4ג מתאר את הספקטרום האופטי של הפלמונית. כאן, קווי הפלמון מלווים בגידול בפעילות מגנטו-אופטיים, שבפתאומיות מגיעה ל-SPP. צורת הקו ניתן להסביר על ידי העובדה מגנטוטיזציה מעט משנה את תנאי עירור SPP, ובכך וכתוצאה מכך שני Spp שונים עבור הנגדי מגנטוטיזציה. כאשר השתקפות של שתי מדינות העקורים מעט מופחתים זו בזו, צורת קו נגזרת מאפיין מתקבלת ב^-15,16,17. רוחב הפלסטיק הרוחבי של הפלאמון, כמו גם ספקטרום מגנטו-אופטי המתקבל, תלוי באופן חזק בפרמטרים החומריים של המתכת המרובת-שכבות^25,26.

אנו מודעים לכך שבגלל הגיאומטריה של הסורגים, הציר הקל המגנטי מונחה לאורך הסורגים עצמו ושדות מגנטיים גדולים מאוד נחוצים כדי להוציא אותו מהמטוס הזה, משום כך מדידות LMOKE אינן מקיימות במדגם מסוים זה.

איור 1: גאומטריות שונות היכן שניתן לצפות באפקטים מגנטו-אופטיים.
קוטבי (A), אורכי (ב) ו רוחבי (C) מגנטו-אופטי תופעות קר נצפו בהשתקפות בעוד פאראדיי (D) ו voigt (E) אפקטים להתרחש בשידור דרך מגנט בינוני. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: התקנה אופטית.
(א) תיאור סכמטי של הפצת אור בכיוונון פורייה של המישור המיקרוסקופי. הרכיבים הפינתיים הנפרדים (המתוארים באמצעות קרני אדום, שחור וכחול) מופרדים באופן שונה במישור המוקד האחורי. (ב) תרשים סכימטי של הפצת האור במיקרוסקופ החלל האמיתי. עדשות L1 ו-L2 טופס טלסקופ כי תמונות במישור התמונה למצלמה. המרחקים בין הרכיבים בטבלה האופטית מסומנים מתחת לכל הגדרה. מספרים אדומים מצביעים על כך. שהמרחק הוא קריטי להיווצרות תמונה . המרחקים במילימטרים אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: מיקרוסקופ חלל פורייה ומדידות.
(א) מרכיבים של מיקרוסקופ החלל הפורייה. (ב) תיאור סכמטי של המדינות הפולריזציה של האור הממוקד במטרה. האירוע ליניארי (לאורך x-כיוון) אור מקוטב שליך על המדגם הן TE ו-TM מקוטב בהתאם לחלק של המטרה שבה הקרן מקורו. (ג) עוצמה במישור המוקד האחורי של המיקרוסקופ ב λ = 600 ננומטר בעת מדידת ה-DVD פומפיה. קווי הספיגה השחורים מצביעים על התהודה של SPP, הגלויים גם באיור 4ב, ג. AOI ניתן לבחור כמלבן כחול כדי למדוד את התגובה לאור TM מקוטב או אדום עבור TE-מקוטב. (ד) מעגל היסטרנסיס של חומר פרומגנטי הממחיש את התגובה האופיינית לינארית לשדות מגנטיים שהוחלו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: מדידות בדוגמת DVD פומפיה.
(A) SEM יקרוגפיה של מסחרי DVD פומפיה מכוסה עם Au/Co/Au רב שכבות. מפת השתקפות זוויתית (ב) ומגנטו-אופטי מיפוי פעילות (C) של ה-DVD פומפיה עם תקופתיות nm של 740 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

הצגנו הגדרת מדידה ופרוטוקול כדי לקבל זוויתי נפתר מגנטו-אופטי ספקטרום של קריסטלים אופטיים. במיוחד, במקרה של חומרים פרומגנטיים, המחייב ניתוח נתונים נוסף לחשבון של חדירות לא לינאריות של החומר, הונחו. זוויתי נפתרה מגניסקופיית אופטי מציג יתרון נוסף על פני שיטות שאינן פתורות פתורים כי המצבים הסגורים יכולים להיות מזוהים יותר בקלות כפי שהם מופיעים כלהקות מוגדרות בבירור בספקטרום אופטי ומגנטו אופטי. הגישה שאנו מראים כאן יכול להיות מותאם בקלות לסוגים שונים של גבישים פוטוני והוא לא מוגבל לפני השטח פלשני מהדהד.

השינוי הנפוץ ביותר לטכניקה יהיה הסתגלות שלה כדי למדוד את האורך ו/או לבצע את האפקט קר הקוטב, המניפסט כסיבוב פולריזציה ולא השפעות אינטנסיביות. כדי למדוד סיבוב פולריזציה, מקטזר נוסף חייב להיות ממוקם בין מפצל הקרן ואת העדשה אספן כדי להפוך את העוצמה זוהה במצלמה פרופורציונלי לסיבוב פולריזציה. זה מקטזר צריך להיות ממוקם בזווית 45 ° עם הקיטוב של התקרית האור על המדגם כדי למקסם את האות האופטי מגנטו-אופטיים²⁷.

מלכודות נפוצות בטכניקת המדידה כוללות הרכבה שגויה של המדגם כך שיהיה באפשרותך לנוע בעת החלת שדה מגנטי. זה יכול להיות מחמירות על ידי שימוש במתכת מגנטית כגון ברזל במחזיק לדוגמה. אפילו כמויות קטנות של מתכות מגנטיות כגון ברגים קטנים יכולים לגרום לתנועות כי המסיכה אפקט מגנטו אופטי לחלוטין. מדגם מרגש התוצאות מתבצעת בדרך כלל בלולאה "כמו בננה" היסטרזיס שגויה. לכן, הטיפול הנכון צריך להילקח בטעינת המדגם ולוודא שהוא יציב במקום לפני המידות. כדי לאשר הרכבה נכונה של המדגם, מומלץ למדוד לולאות היסטרזיס באמצעות שילוב של אורך גל/זווית הידוע כתוצאה מאותות טובים ולוודא שצורתו כמצופה ושכל הפריטים מתנועת המדגם או סטיות אחרות אינם נוכחים.

כאשר המדידה של לולאת ההיסטזיס דורשת לולאה מעל טווח של שדה מגנטי שהוחל, המדידה אורכת זמן מה. אם רמת העוצמה של המקור אינה יציבה לאורך זמן, השדה המגנטי צריך להיות בלולאה במהירות כדי למנוע הסחף כוח להשפיע על לולאות היסטריה נמדד. בדרך כלל, רמות כוח המקור להיסחף לאט יותר מאשר לולאה היסטרזיס ניתן למדוד, מה שמאפשר למדוד את הניגודיות TMOKE גם בתנאים אלה. אם האות רועש ויותר ממוצע הצורך, ניתן להבין את הממוצע על-ידי הגדלת מספר הלולאות שנמדדו ולא את מספר המסגרות בכל נקודת שדה מגנטית.

טכניקה זו נשענת על החלת השדה המגנטי באתרו. בזמן שחומרים פרומגנטיים שומרים בדרך כלל על מצב מגנטיזציה שלהם בהעדר שדות מגנטיים שהוחלו, בשל הגודל הקטן של האפקטים המגנטיים-אופטיים, הסרת המדגם לטיפול בתוצאות המגנטיזציה בכישלון בשל ה הקושי של החדרת מחדש את המדגם לאותו מיקום בדיוק כפי שהיה לפני היפוך המגנטיזציה.

השיטה שהוצגה כאן מסתמכת על ציוד זיהוי רגיש ומקורות אור יציבים. ב תקן מגנטו-אופטי קר ספקטרומטריה בתצורת קר לאורך או הקוטב, מודול פוטואלסטי משמש לעתים קרובות כדי לשפר את היחס אות לרעש ולהפריד בין מרכיבים אליציריציאני אחד לשני^27,28. עם זאת, תדירות אפנון של מודול פוטואלסטי הוא בדרך כלל יותר מ 50 kHz מה שמקשה מאוד להשתמש עם מצלמת מיקרוסקופ. לכן, כדי להשיג את היחס הטוב ביותר האפשרי של האות לרעש עבור מיקרוסקופ רחב פורייה-אופטי מגנטו, יש צורך להשקיע במצלמות ומקורות אור עם יציבות טובה.

באופן אורכי וקוטבי מגנטו-אופטיים מדידות, את עוצמת התקרית האור על המצלמה מופחת מאוד בשל מקטצר מוצלב ממוקם לפני זה, אשר מציב דרישות נוספות על ציוד המצלמה הדרושים כדי לזהות את החלש הרבה יותר אות.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Beam splitter	Thorlabs	BSW27
Bertrand lens	Thorlabs	LA1608	f = 75 mm
CCD Camera	Thorlabs	1500M-GE-TE	Camera for real space imaging
Collecting lens	Thorlabs	ITL200	f = 200 mm
Collimating lens	Zeiss	420640-9800	Magnification 10x NA 0.3
Flip mirror	Thorlabs	CCM1-P01/M
Flip mirror mount	Thorlabs	FM90/M
L1-lens	Thorlabs	LA1986	f = 125 mm
L2-lens	Thorlabs	LA1461	f = 250 mm
Objective lens	Nikon	MUE10500	Magnification 50x NA 0.8
Pinhole	Thorlabs	ID8/M
Polarizer	Thorlabs	GTH10M	For LMOKE measurements, two polarizers are needed
sCMOS camera	Andor	ZYLA-4.2P-USB3