l`effet Kerr

MESURES MAGNETO-OPTIQUE
L'ensemble des phénomènes résultant de
l'interaction d'une onde électromagnétique avec la
matière en présence d'un champ magnétique constitue
la magnéto-optique. Faraday fut le premier à observer
que lors de la transmission dans un matériau
transparent d'une lumière polarisée linéairement et
d'incidence normale, le plan de polarisation de cette
lumière tournait d'un certain angle en présence d'un
champ magnétique parallèle à la direction de
propagation (effet Faraday, 1946). Kerr découvrit
quelques années plus tard (1977) que la
polarisation de la lumière pouvait également être
modifiée lors de la réflexion sur un matériau
magnétique. Il existe en fait différents effets
magnéto-optiques qui dépendent de l'orientation du
champ magnétique par rapport au vecteur de
propagation de la lumière, de la polarisation de la
lumière ainsi que de la méthode de mesure
employée, à savoir, par transmission ou par
réflexion. On distingue les effets magnéto-optiques
du premier ordre, proportionnels à des termes
impairs du champ magnétique, et ceux du second
ordre, proportionnels à des termes pairs du champ
magnétique.
1) Les géométries de l'effet Kerr
L'interaction magnéto-optique qui résulte de la
réflexion d'une onde électromagnétique polarisée
linéairement sur un matériau aimanté constitue
l'effet Kerr magnéto-optique (en anglais MOKE,
Magneto Optical Kerr Effect).
On distingue 3 types d'effet Kerr suivant l'orientation
de l'aimantation par rapport au plan d'incidence et au
plan de réflexion (figure l).
- l'effet Kerr polaire:
l'aimantation est perpendiculaire
à l'échantillon et dans le plan
d'incidence.
- l'effet Kerr longitudinal:
l'aimantation est dans
le plan de
l'échantillon et dans le
plan incidence.
- l'effet Kerr transverse:
l'aimantation est dans
le plan de
l'échantillon et
perpendiculaire au
plan d'incidence.
Dans le cas des configurations polaire et
longitudinale, l'onde électromagnétique
polarisée linéairement se transforme en
une onde elliptique après réflexion sur le
milieu aimanté. On décrit cette onde
réfléchie elliptique par la rotation
complexe Φ K = θ K + i ε K où θ K est l'angle de
rotation de l'axe principal de l'ellipse par
rapport à la direction initiale de polarisation
et ε K est l'angle d'ellipticité de cette ellipse
(figure 2). L'effet Kerr transverse entraîne non
pas une modification de la polarisation de
l'onde incidente, mais un changement de sa
réflectivité.
Configuration
Configuration
Configuration
POLAIRE
LONGITUDINALE
TRANSVERSE
Figure 1: Les différentes configurations (polaire, longitudinale et transverse) de l'effet Kerr.
Milieu aimanté
Onde incidente
Onde réfléchie elliptique
Figure 2: Transformation d'une onde linéaire en une onde elliptique après réflexion sur un
milieu aimanté.
2) Chaîne optique du montage
expérimental
Le montage optique est représenté sur la
figure 3. Il est constitué, dans le sens de
propagation du faisceau lumineux, d'une
source lumineuse S, d'un polariseur P, de
l'échantillon
E,
d'un
modulateur
photoélastique M, d'un analyseur A et d'un
détecteur de lumière D:
La source lumineuse S: Différentes sources de
lumière sont utilisées : laser Hélium-Néon
(λ = 633 nm), diode laser de différentes
longueurs d’onde (400, 670, 800 nm), lasers
pulsés. La puissance est typiquement de
quelques mW. Le diamètre du faisceau est
d'environ 1 mm. On peut aussi utiliser une
lentille afin de focaliser davantage le faisceau.
Le polariseur P: Afin d'obtenir une meilleure
linéarité du faisceau laser, on place un polariseur
à la sortie du laser. Ce polariseur est un prisme
de Nicol et a un rapport d'extinction 10-5 pour
633 nm. Il fait un angle de 90° (polarisation s)
ou 0° (polarisation p) par rapport au plan
d'incidence.
L'échantillon E: Il est soumis à un champ
magnétique extérieur H appliqué dans le plan
d'incidence et faisant un angle α avec le plan de
l'échantillon. L’échantillon peut être installé dans un
cryostat permettant des mesures de 80K à 300K.
Le modulateur photoélastique M: Il permet de
moduler à fréquence fixe (f = 50 kHz) la
polarisation d'une lumière monochromatique.
C'est un barreau de silice qui est soumis à
une pression alternative de fréquence f au
moyen d'un transducteur piézo-électrique
excité à la fréquence de résonance f du
barreau. Cette pression modulée entraîne
une biréfringence linéaire modulée ϕ définie
par :
La différence de phase (ϕo entre les axes rapide et
lent d'indices respectifs nX et ny dépend de
l'amplitude de la pression exercée sur le barreau,
Les axes rapide et lent orthogonaux du
modulateur coïncident avec les axes Ox et
Oy, respectivement.
L'analyseur A: Il est identique au polariseur P et
fait un angle de 45° avec celui-ci.
Le détecteur de lumière: C'est une photodiode
de surface active 25 mm2.à pré-ampli intégré et
de bande passante ~200kHz.
Figure 3: Schéma du montage optique.
3) Différents générateurs de champ
magnétique
Nous disposons de 3 générateurs de
champ magnétique :
Electroaimant à 2T :
Cet électroaimant alimenté par une alimentation
bipolaire 160A/40V et équipé d'un circuit de
refroidissement à l'eau permet d'obtenir des
champs magnétiques compris entre -2 et +2
T. Les pièces polaires de l'électroaimant
sont percées afin de réaliser des mesures
dans les configurations Kerr polaire et
Faraday. Il est possible de faire pivoter
l'électroaimant afin de réaliser des mesures
d'anisotropie nécessitant un champ incliné
par rapport au plan de l'échantillon. Le faible
écart entre les pièces polaires ne permettant des
mesures en géométrie longitudinale que pour
des angles d'incidence inférieurs à 20° qui
donnent un faible signal Kerr, il s'est avéré
nécessaire d'utiliser un second électroaimant
pour
les
mesures
en
configuration
longitudinale.
Electroaimant à 3 kOe :
Cet électroaimant également alimenté par
l'alimentation bipolaire 160 A/40V fournit un
champ magnétique d'amplitude maximale 3
kOe. Son entrefer permet la mesure Kerr en
géométrie longitudinale pour des angles
d'incidence allant jusqu'à environ 50°.
Bobines de Helmholtz:
Ces bobines permettent de réaliser des
mesures de susceptibilité en champ alternatif
dans la configuration polaire et longitudinale pour
des amplitudes inférieures à 30 Oe.
Pour les 2 électroaimants, l'amplitude du champ
est mesurée par une sonde de Hall placée sur
l'une des pièces polaires après avoir établi la
correspondance entre le champ au niveau de cette
pièce polaire et celui au niveau de
l'échantillon situé au centre de l'entrefer. Le
champ magnétique créé par les bobines est
évalué à partir de l'intensité du courant passant
dans les bobines.
Il est à noter que pour les différents
générateurs de champ magnétique décrits cidessus, le champ magnétique peut être considéré
comme homogène sur la partie de l'échantillon
sondée par le faisceau laser de section inférieure à
1 mm2.
Un cryo-aimant est en cours d’installation, il
permettra d’étendre la gamme de mesure de 4K à
300K et +/-7 Tesla.
(extraits de la thèse de Guillaume Garreau)
4) Quelques exemples d’application
(a) Rotation Kerr en rémanence et (b)
susceptibilité magnétique en fonction de
la température pour un film de 3.4
monocouches de Fe déposées sur
GaAs(001)-(2x6). En insert, cycles
d’hystérésis
suivant
l’axe
facile
H//[110]. Ces expériences permettent de
déterminer la température de Curie et le
comportement critique.
F. Bensch et al. J. Appl. Phys. 89, 7133
(2001).
Image
TEM
et
cycles
d’hysteresis (effet Kerr polaire)
pour
des
alliages
CoPt
d’épaisseur nominale 8.5nm (en
haut) et 3.5nm (en bas) déposés
sur SiO2. Transition ferrosuperparamagnétique
en
fonction de l’épaisseur déposée
(Coll. NCSR « Demokritos »
Athenes).
L. Castaldi et al. J. Mag. Mag.
Mater. 286 (2005) 37.
Cycle d’hystérésis mesuré par
effet Kerr polaire pour un film
d’alliage CoPt3 (215Å) et
réseaux de plots de diamètre
variables réalisés à partir du
même
film.
La
nanostructuration
amène
une
augmentation
du
champ
coercitif.
Thèse J. Vénuat (2006)