МАГНИТОО́ПТИКА

МАГНИТОО́ПТИКА, раз­дел оп­ти­ки, изу­чаю­щий яв­ле­ния взаи­мо­дей­ст­вия оп­тич. из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом, на­хо­дя­щим­ся во внеш­нем маг­нит­ном по­ле или на­маг­ни­чен­ным вслед­ст­вие иных при­чин (напр., спон­тан­но или под дей­ст­ви­ем оп­тич. на­кач­ки). На­маг­ни­чен­ность сре­ды про­яв­ля­ет­ся не толь­ко в из­ме­не­нии её спек­тров по­гло­ще­ния и по­ка­за­те­лей пре­лом­ле­ния, но и в по­яв­ле­нии (или из­ме­не­нии) её оп­ти­че­ской ани­зо­тро­пии. На­во­ди­мая маг­нит­ным по­лем цир­ку­ляр­ная (кру­го­вая) ани­зо­тро­пия сре­ды свя­за­на с не­эк­ви­ва­лент­но­стью на­прав­ле­ний вра­ще­ния в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной по­лю. Это оп­ре­де­ля­ет­ся ха­рак­тер­ны­ми сим­мет­рий­ны­ми свой­ст­ва­ми ак­си­аль­но­го век­то­ра на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля.

Боль­шин­ст­во маг­ни­то­оп­тич. эф­фек­тов, на­блю­дае­мых во внеш­нем маг­нит­ном по­ле, яв­ля­ет­ся пря­мым или кос­вен­ным след­ст­ви­ем маг­нит­но­го рас­ще­п­ле­ния уров­ней энер­гии сис­те­мы, не­по­сред­ст­вен­но про­яв­ляю­ще­го­ся в Зее­ма­на эф­фек­те – рас­ще­п­ле­нии спек­траль­ных ли­ний оп­тич. пе­ре­хо­дов в маг­нит­ном по­ле. В маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ных сре­дах маг­нит­ное рас­ще­п­ле­ние уров­ней энер­гии про­ис­хо­дит за счёт внутр. эф­фек­тив­но­го по­ля (по­ля Вей­са). В от­сут­ст­вие маг­нит­ных по­лей маг­ни­то­оп­тич. эф­фек­ты, как пра­ви­ло, яв­ля­ют­ся ре­зуль­та­том по­ля­ри­за­ци­он­ной не­эк­ви­ва­лент­но­сти энер­ге­ти­че­ски вы­рож­ден­ных оп­тич. пе­ре­хо­дов.

Осн. яв­ле­ния М. мож­но клас­си­фи­ци­ро­вать по при­зна­ку вза­им­ной ори­ен­та­ции вол­но­во­го век­то­ра све­то­во­го из­лу­че­ния K и век­то­ра напряжённости маг­нит­но­го по­ля Н (или век­то­ра на­маг­ни­чен­но­сти сре­ды M). При кол­ли­не­ар­ном рас­по­ло­же­нии этих век­то­ров (т. н. гео­мет­рия Фа­ра­дея) в сре­де воз­ни­ка­ет цир­ку­ляр­ная ани­зо­тро­пия и, со­от­вет­ст­вен­но, по­яв­ля­ют­ся разл. свой­ст­ва для све­та ле­вой и пра­вой кру­го­вой по­ля­ри­за­ции. При рас­про­стра­не­нии све­та по­пе­рёк по­ля (гео­мет­рия Фойг­та) свой­ст­ва сре­ды ока­зы­ва­ют­ся раз­лич­ны­ми для све­та, ли­ней­но по­ля­ри­зо­ван­но­го вдоль и по­пе­рёк по­ля, т. е. сре­да ста­но­вит­ся ли­ней­но ани­зо­троп­ной.

В об­лас­ти по­гло­ще­ния оп­тич. ани­зо­тро­пия на­маг­ни­чен­ной сре­ды про­яв­ля­ет­ся в пер­вую оче­редь в ви­де дих­ро­из­ма – раз­ли­чия ко­эф. по­гло­ще­ния сре­ды для двух ор­то­го­наль­ных по­ля­ри­за­ций. В гео­мет­рии Фойг­та – это маг­нит­ный ли­ней­ный дих­ро­изм, а в гео­мет­рии Фа­ра­дея – маг­нит­ный цир­ку­ляр­ный (кру­го­вой) дих­ро­изм. В об­лас­ти про­зрач­но­сти сре­ды ана­ло­гич­ные эф­фек­ты маг­ни­то­ин­ду­ци­ро­ван­ной ани­зо­тро­пии про­яв­ля­ют­ся в ви­де маг­нит­но­го ли­ней­но­го и маг­нит­но­го цир­ку­ляр­но­го дву­пре­лом­ле­ния в гео­мет­рии Фойг­та и Фа­ра­дея (со­от­вет­ст­вен­но Кот­то­на – Му­то­на эф­фект и Фа­ра­дея эф­фект).

Оп­тич. ани­зо­тро­пия на­маг­ни­чен­ной сре­ды про­яв­ля­ет­ся и при от­ра­же­нии све­та от её по­верх­но­сти. Ха­рак­тер из­ме­не­ния по­ля­ри­за­ци­он­но­го со­стоя­ния све­та при от­ра­же­нии за­ви­сит от вза­им­но­го рас­по­ло­же­ния по­верх­но­сти, плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции све­та и век­то­ра на­маг­ни­чен­но­сти. Этот эф­фект на­блю­да­ет­ся в пер­вую оче­редь в маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ных сре­дах (ме­тал­лах и ди­элек­три­ках) и на­зы­ва­ет­ся маг­ни­то­оп­тич. эф­фек­том Кер­ра (см. в ст. Кер­ра эф­фек­ты).

Внеш­нее маг­нит­ное по­ле влия­ет так­же на про­стран­ст­вен­ные, по­ля­ри­за­ци­он­ные и вре­менны́е ха­рак­те­ри­сти­ки вто­рич­но­го све­че­ния ве­ществ (лю­ми­нес­цен­цию, ком­би­на­ци­он­ное рас­сея­ние, оп­тич. гар­мо­ни­ки и т. д.). Один из та­ких маг­ни­тооп­тич. эф­фек­тов со­сто­ит в из­ме­не­нии диа­грам­мы на­прав­лен­но­сти и умень­ше­нии сте­пе­ни по­ля­ри­за­ции ре­зо­нанс­ной лю­ми­нес­цен­ции атом­ных па­ров в сла­бых маг­нит­ных по­лях вслед­ст­вие из­ме­не­ния со­от­но­ше­ния ме­ж­ду пе­рио­дом пре­цес­сии мо­мен­та ато­ма во внеш­нем по­ле и вре­ме­нем жиз­ни воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния (Хан­ле эф­фект).

Спе­ци­фич. маг­ни­то­оп­тич. свой­ст­ва воз­ни­ка­ют в по­лу­про­вод­ни­ко­вых кри­стал­лах, энер­ге­тич. струк­ту­ра ко­то­рых фор­ми­ру­ет­ся де­ло­ка­ли­зо­ван­ны­ми зон­ны­ми и эк­си­тон­ны­ми со­стоя­ния­ми (см. Зон­ная тео­рия, Эк­си­тон). Плот­ность зон­ных со­стоя­ний по­лу­про­вод­ни­ка во внеш­нем маг­нит­ном по­ле при­об­ре­та­ет ос­цил­ли­рую­щий, ква­зи­ди­ск­рет­ный ха­рак­тер вслед­ст­вие рас­ще­п­ле­ния зон на сис­те­мы под­зон Лан­дау, от­стоя­щих друг от дру­га на ве­ли­чи­ну кван­та ℏω_Н, где ω_Н – цик­ло­трон­ная час­то­та, ℏ – по­сто­ян­ная План­ка. Воз­ни­каю­щие при этом ос­цил­ля­ции маг­ни­то­пог­ло­ще­ния ис­поль­зу­ют­ся для точ­но­го оп­ре­де­ле­ния па­ра­мет­ров зон­ной струк­ту­ры по­лу­про­вод­ни­ка и ха­рак­те­ри­стик но­си­те­лей за­ря­да. Эф­фек­тив­ность при­ме­не­ния маг­ни­то­оп­тич. ме­то­дов к ис­сле­до­ва­ни­ям маг­ни­то­упо­ря­до­чен­ных кри­стал­лов оп­ре­де­ля­ет­ся тем, что внеш­нее маг­нит­ное по­ле, кон­ку­ри­руя с внутр. об­мен­ным по­лем (см. Об­мен­ное взаи­мо­дей­ст­вие), спо­соб­но по­вли­ять на маг­нит­ное со­стоя­ние сис­те­мы. Маг­ни­то­оп­тич. ис­сле­до­ва­ния об­мен­ных взаи­мо­дей­ст­вий, маг­нит­ных фа­зо­вых пе­ре­хо­дов и маг­нит­ной струк­ту­ры упо­ря­до­чен­ных крис­тал­лов, тре­бую­щие по­лей, со­пос­та­ви­мых по ве­ли­чи­не с эф­фек­тив­ным внутр. по­лем (на­пря­жён­но­стью по­ряд­ка 10⁷ А/м), час­то про­во­дят­ся с ис­поль­зо­ва­ни­ем мощ­ных сверх­про­во­дя­щих и им­пульс­ных маг­ни­тов.

Вы­ра­зи­тель­ные маг­ни­то­оп­тич. эф­фек­ты на­блю­да­ют­ся в жид­ких кри­стал­лах, со­стоя­щих, как пра­ви­ло, из диа­маг­нит­ных мо­ле­кул и об­ла­даю­щих силь­ной ани­зо­тро­пи­ей маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти и элек­трич. по­ля­ри­зуе­мо­сти. Маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость мо­ле­кул жид­ких кри­стал­лов не­ве­ли­ка, но из-за коо­пе­ра­тив­но­го ха­рак­те­ра от­кли­ка кри­стал­ла на внеш­нее маг­нит­ное по­ле энер­гия маг­нит­но­го взаи­мо­дей­ст­вия мо­жет ока­зать­ся дос­та­точ­ной для из­ме­не­ния его ори­ен­та­ци­он­ной упо­ря­до­чен­но­сти. В свою оче­редь, из­ме­не­ние ори­ен­та­ци­он­ной струк­ту­ры жид­ко­го кри­стал­ла вслед­ст­вие силь­ной оп­тич. ани­зо­тро­пии мо­ле­кул при­во­дит к маг­ни­то­ин­ду­ци­ро­ван­ным из­ме­не­ни­ям ве­ли­чи­ны и ха­рак­те­ра двой­но­го лу­че­пре­лом­ле­ния. Маг­ни­то­ин­ду­ци­ро­ван­ная оп­тич. ани­зо­тро­пия про­яв­ля­ет­ся и в изо­троп­ной фа­зе жид­ких кри­стал­лов в ви­де ано­маль­но­го рос­та кри­стал­лов при при­бли­же­нии к точ­ке фа­зо­во­го пе­ре­хо­да.

Сре­ди эф­фек­тов све­то­ин­ду­ци­ро­ван­но­го из­ме­не­ния на­маг­ни­чен­но­сти сре­ды наи­боль­ший ин­те­рес пред­став­ля­ет яв­ление оп­ти­че­ской ори­ен­та­ции. По­гло­ще­ние ато­ма­ми цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­ных фо­то­нов при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию или из­ме­не­нию на­маг­ни­чен­но­сти сис­те­мы. Оп­тич. ори­ен­та­ция мо­жет воз­ни­кать под дей­ст­ви­ем из­лу­че­ния сколь угод­но ма­лой ин­тен­сив­но­сти при дос­та­точ­но ма­лых ско­ро­стях ре­лак­са­ции на­маг­ни­чен­но­сти.

Фе­но­ме­но­ло­ги­че­ски близ­кий эф­фект мо­жет на­блю­дать­ся при воз­дей­ст­вии мощ­но­го цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­но­го из­лу­че­ния на про­зрач­ную ди­элек­трич. сре­ду. В этом слу­чае на­маг­ни­чен­ность сре­ды соз­да­ёт­ся вра­щаю­щим­ся пе­ре­мен­ным элек­трич. по­лем, дей­ст­вую­щим по­доб­но эф­фек­тив­но­му маг­нит­но­му по­лю: знак на­маг­ни­чен­но­сти оп­ре­де­ля­ет­ся зна­ком цир­ку­ляр­ной по­ля­ри­за­ции све­та. В не­ко­то­ром смыс­ле этот эф­фект об­ра­тен эф­фек­ту вра­ще­ния плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции в маг­нит­ном по­ле, и по­это­му его на­зы­ва­ют об­рат­ным эф­фек­том Фа­ра­дея. Он на­блю­да­ет­ся лишь при та­ких ам­пли­ту­дах элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, ко­гда за­мет­на роль не­ли­ней­ной по­ля­ри­зуе­мо­сти сре­ды. Экс­пе­ри­мен­таль­но этот эф­фект на­блю­дал­ся в кри­стал­лах с при­мес­ны­ми па­ра­маг­нит­ны­ми цен­тра­ми, а так­же в парáх ме­тал­лов.

Один из фун­дам. маг­ни­то­оп­тич. эф­фек­тов – маг­нит­ное дву­пре­лом­ле­ние ва­куу­ма – обу­слов­лен вир­ту­аль­ным ро­ж­де­ни­ем элек­трон-по­зи­трон­ных пар под дей­ст­ви­ем све­та и мо­жет рас­смат­ри­вать­ся как эф­фект рас­сея­ния све­та на маг­нит­ном по­ле. Эф­фект пред­ска­зан тео­ре­ти­че­ски, но экс­пе­ри­мен­таль­но не на­блю­дал­ся в си­лу сво­ей ма­лой ве­ли­чи­ны.

Оп­тич. ре­ги­ст­ра­ция из­ме­не­ний на­маг­ни­чен­но­сти па­ра­маг­не­ти­ка под дей­ст­вием ре­зо­нанс­но­го СВЧ-по­ля ис­поль­зу­ет­ся как ме­тод де­тек­ти­ро­ва­ния эф­фек­та элек­трон­но­го па­ра­маг­нит­но­го ре­зо­нан­са (ЭПР). Оп­тич. ре­ги­ст­ра­ция ЭПР в воз­бу­ж­дён­ном элек­трон­ном со­стоя­нии осу­ще­ст­в­ля­ет­ся, как пра­ви­ло, де­тек­ти­ро­ва­ни­ем из­ме­не­ний по­ля­ри­за­ци­он­ных, про­стран­ст­вен­ных или спек­траль­ных ха­рак­те­ри­стик лю­ми­нес­цен­ции, со­про­во­ж­даю­щей де­закти­ва­цию это­го со­стоя­ния.

Ис­сле­до­ва­ние оп­тич. от­кли­ка ве­ще­ст­ва на при­ло­жен­ное пе­ре­мен­ное маг­нит­ное по­ле по­зво­ля­ет по­лу­чать ин­фор­ма­цию о маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти сре­ды, ко­то­рая, в свою оче­редь, со­дер­жит све­де­ния о ди­на­ми­ке па­ра­маг­нит­ной ре­лак­сации сис­те­мы; об энер­ге­тич. струк­ту­ре осн. элек­трон­ных со­стоя­ний маг­не­ти­ка; о взаи­мо­дей­ст­вии па­ра­маг­нит­ных цен­тров друг с дру­гом и со сво­им ок­ру­же­ни­ем в диа­па­зо­не энер­гий зее­ма­нов­ско­го рас­ще­п­ле­ния.

Маг­ни­то­оп­тич. эф­фек­ты ис­поль­зу­ют­ся в уст­рой­ст­вах за­пи­си и хра­не­ния ин­фор­ма­ции, в сис­те­мах управ­ле­ния ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем (для соз­да­ния де­флек­то­ров, оп­тич. за­тво­ров, для мо­ду­ля­ции све­та и др.), при соз­да­нии пре­ци­зи­он­ных маг­ни­то­мет­ров, при кон­ст­руи­ро­ва­нии не­вза­им­ных оп­тич. эле­мен­тов, ла­зер­ных ги­ро­ско­пов, эле­мен­тов ин­те­граль­ной оп­ти­ки и др.