Effet Kerr magnéto-optique - moodle@insa

Département Génie Physique
TP4 - Semestres 7 & 8
Mesures et caractérisations
Effet Kerr magnéto-optique
Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE)
Directives et indications
Ce fascicule est disponible online sur http ://moodle.insa-toulouse.fr/
Prenez connaissance des règles de sécurité en vigueur.
Indentifiez les risques avant de commencer à manipuler
Benjamin Lassagne Dernière mise à jour : 3 octobre 2016
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S é c u r i t é
Règles générales
Les jours de "travaux pratiques", la salle de manipulation est ouverte de 8h00
à 12h00, puis de 13h15 à 17h30. Vous n’êtes pas autorisés à travailler en dehors
de ces plages horaires, sauf avec l’accord préalable d’un enseignant.
Il est interdit de boire, de manger et de fumer dans la salle de manipulation.
Avant de manipuler, familiarisez-vous avec les divers instruments et identifiez les
risques. Lorsque approprié, utilisez les équipements de protection individuelle ou
collective (lunettes de protection, gants etc...). L’application de consignes sup-
plémentaires peuvent être exigées par l’enseignant encadrant selon la nature de
la manipulation. En cas de doute concernant la sécurité, adressez-vous à l’ensei-
gnant encadrant. Tout incident ou de blessure (même légère) devra être signalée
à l’enseignant encadrant.
Dès votre arrivée dans la salle de manipulation, identifiez votre environnement
de travail. Repérez en particulier les éléments suivants :
– localisation des extincteurs
– localisation des alarmes incendie
– localisation des sorties de secours
– localisation des trousses de secours
Ne travaillez jamais seul : assurez-vous d’être toujours en présence d’une tierce
personne. Dans le cas de manipulations particulièrement dangereuses (ex : ma-
nipulation de fluides cryogéniques, utilisation d’appareils électriques susceptibles
de délivrer de fortes puissances), assurez-vous d’être en présence d’au moins un
enseignant.
Les risques particuliers à la manipulation décrite dans ce fascicule ont été ré-
pertoriés ci-après. Assurez-vous d’avoir pris connaissance de ces risques.
Le non respect du règlement pourra entraîner l’exclusion immédiate de l’étu-
diant des salles des Travaux Pratiques
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Risques associés à la manipulation
Risque LASER
– Lésion oculaire
– Portez des lunettes de sécurité (protection oculaire) pendant les observations
et pendant les procédures d’alignement.
Risque électrique
– Électrocution
– Électrisation
– Brûlures
– Perte des yeux par arc électrique
– Chute liée au choc électrique
– Incendie, explosion
L’intensité du courant électrique circulant dans la bobine lors d’un pulse de
champ magnétique est très importante. Éloignez-vous de la manipulation lors
d’un pulse.
Assurez-vous d’avoir compris l’ensemble de la manipulation avant de com-
mencer à travailler
Assurez-vous d’avoir pris connaissance des risques liés à cette manipulation
Assurez-vous d’avoir compris toutes les consignes de sécurité
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Introduction
De nombreux phénomènes physiques ont pour origine l’interaction entre la lumière et un milieu matériel.
Certains sont plus précisément liés aux propriétés magnétiques de la matière. Aussi ces derniers sont qualifiés
d’effets "magneto-optiques" tels que, par exemple, l’effet Faraday ou l’effet Kerr magnéto-optique étudié dans
le cadre de cette manipulation. Lorsqu’une lumière initialement polarisée ou non interagit 1avec le matériau,
elle est susceptible de changer son état de polarisation. Cet effet sera particulièrement mis en évidence à travers
l’observation expérimentale de la rotation de l’angle de polarisation d’une lumière incidente après avoir été
réfléchie par une couche mince aimantée. Les mécanismes microscopiques à l’origine de l’interaction entre la
lumière et les moments magnétiques de la matière sont complexes et dépassent le cadre de ce TP : une interpré-
tation quantique plus rigoureuse s’appuie sur la modification des niveaux d’énergie avec le champ magnétique
(effet Zeeman). Notons simplement qu’un déphasage entre les deux états propres de polarisation de la lumière,
proportionnel à l’aimantation du matériau, modifie son état de polarisation final.
Introduction théorique et principe de l’effet Kerr magnéto-optique
Effet Kerr magnéto-optique
L’effet Kerr magnéto-optique est le résultat d’une ré-
sonance ferromagnétique provoqué par la lumière qui confère
au matériau des propriétés optiques de bi-réfringence.
Ainsi, lorsqu’une lumière initialement polarisée de ma-
nière rectiligne pénètre dans le matériau, elle en ressort
toujours polarisée de manière rectiligne, mais son orienta-
tion a changé. En effet, une polarisation rectiligne 2peut
toujours être recomposée en deux polarisations circulaires
tournant en sens contraire l’une de l’autre. Dans un ma-
tériau bi-réfringent, ces deux composantes se propagent
à des vitesses différentes, lui procurant ainsi un pouvoir
rotatoire. Comme indiqué précédemment, un déphasage
entre les deux composantes circulaires de la lumière, pro-
portionnel à l’aimantation du matériau et a sa longueur
traversée, modifie son état de polarisation.
Dans le cas d’un film mince ferromagnétique (dont l’épaisseur est inférieure à l’épaisseur de peau) déposé sur
un substrat réfléchissant, il est possible d’analyser l’état de polarisation de la lumière réfléchie par le dispositif.
Dans cette configuration la lumière pénètre le matériau "actif" sur un aller-retour. Considérons une onde plane
incidente polarisée de manière rectiligne. Ici, le vecteur "champ magnétique" sera utilise pour caractériser son
état de polarisation. Comme expliqué précédemment, cette dernière peut être vue comme la décomposition de
deux ondes polarisées circulairement droite et gauche. La composante dont le vecteur "vitesse angulaire" est dans
la même direction que les courants électriques fictifs (ou moments magnétiques) responsables de l’aimantation
Mdu matériau va "tourner" plus vite que l’autre. On remarque alors que la polarisation rectiligne subit une
rotation lorsqu’une aimantation magnétique se développe parallelement à la direction de propagation de la
lumière. L’angle de rotation est donné par la formule empirique :
α=ν.M.d (1)
où dest l’épaisseur pendant laquelle la rotation a lieu et νest la constante de Verdet du matériau considéré
(en rad.T −1.m−1). Cette constante varie en fonction de la longueur d’onde de la lumière et de la température.
En général, un champ magnétique extérieur ~ Best appliqué sur l’échantillon afin que celui-ci développe une
aimantation Mcaractéristique de ses propriétés magnétiques. Selon l’orientation relative du vecteur d’onde
de la lumière incidente, de la direction du champ magnétique extérieur et de l’orientation de l’échantillon, on
distingue trois configurations pour l’effet Kerr magnéto-optique.
1. le terme "interagir" regroupe ici les processus de réflexion, réfraction, diffraction, diffusion ou transmission
2. L’état de polarisation de la lumière est, par convention, caractérisée par la direction du champ électrique ~ E.
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Configuration polaire : l’onde lumineuse incidente arrive perpendiculairement
à la surface de l’échantillon et le champ magnétique extérieur est lui aussi
applique perpendiculairement à l’échantillon. Dans cette configuration, l’état
de polarisation de la lumière réfléchie ne dépend que de la composante normale
(hors du plan) de l’aimantation du matériau étudié.
Configuration longitudinale : le faisceau lumineux est dirige en incidence ra-
sante avec la surface de l’échantillon. Le champ magnétique extérieur est aligne
avec le vecteur d’onde ~ kde la lumière. Dans cette configuration, seule la compo-
sante longitudinale de l’aimantation alignée avec ~ kest susceptible de modifier
l’état de polarisation de la lumière.
Configuration transverse : le faisceau lumineux est dirigé en incidence rasante
avec la surface de l’échantillon. Le champ magnétique extérieur est applique
perpendiculairement avec le vecteur d’onde ~ kde la lumière. De la même ma-
nière que précédemment, seule la composante de l’aimantation alignée avec ~ k
pourra être sondée.
Propriétés magnétiques des couches minces ferromagnétiques
Les propriétés magnétiques d’un matériau sont affectées par le champ magnétique extérieur dans lequel
ce dernier est plongé. Selon leur réponse magnétique, on peut les classer dans trois grandes catégories : les
matériaux paramagnétiques, diamagnétiques et ferromagnétiques. Bien que l’origine microscopique de la réponse
magnétique des matériaux dépasse le cadre de ce TP, notons toutefois que le magnétisme "orbital" (mouvement
des électrons dans le matériau) et le magnétisme de "spin électronique" (propriété intrinsèque aux électrons)
ainsi que leurs interactions constituent les deux plus grandes contributions. En général, lorsqu’un matériau est
plongé dans un champ magnétique extérieur ~ H(appelé excitation magnétique), il développe une aimantation
notée ~ M. En notant ~ Ble champ magnétique total, il vient :
~
B=µ0~
H+~ M
où µ0est la perméabilité magnétique du vide. La susceptibilité magnétique χmesure la tendance que possède
le matériau à développer une aimantation en présence d’un champ d’excitation magnétique extérieur, il vient :
~
M=χ. ~ H. Par ailleurs, le champ magnétique total s’exprime directement à partir de l’excitation magnétique à
travers la perméabilité magnétique µ(ou la perméabilité magnétique relative µr=µ/µ0) : ~ B=µ. ~ H=µ0.µr.~ H.
Finalement il vient : µ
µ0
= (1 + χ)
Origine des interactions magnétiques
La variété des propriétés magnétiques des films minces par rapport à leur état "massif" provient de leur
caractère quasi-bidimensionnel conjugué aux effets de surface et d’interface. Ces dernières correspondent à une
rupture du réseau cristallin du matériau. Les états quantiques du cristal infini ne sont plus les états propres
du cristal semi-infini et des modifications importantes de la structure électronique sont à prévoir, conséquence
des effets du confinement spatial des fonctions d’ondes électroniques. Par ailleurs, la nature de(s) l’interface(s)
influence l’hybridation des orbitales électroniques du métal magnétique avec celles du matériau (non-magnétique)
en contact. Ces effets sont à l’origine de la modification éventuelle des interactions entre spins dans le matériau.
D’autres phénomènes peuvent aussi modifier considérablement les propriétés magnétiques macroscopiques des
films minces : par exemple, un désaccord de maille entre les métaux en contact peut entrainer des défauts
structuraux (dislocations, joints de grains..), qui deviennent la conséquence d’effets magnéto-élastiques non
négligeables. Par ailleurs, la rugosité des interfaces et parfois la formation d’un alliage peuvent aussi influencer
les propriétés d’anisotropie magnétique.
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