Apparato di misura dell'effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) Laurea Magistrale in Fisica Corso di Laboratorio di Fisica - a.a. 2016/17 Proposta di esperienza di laboratorio Apparato di misura dell'effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) Proponente: Prof. Corrado de Lisio

Effetto Kerr magneto-ottico Descrizione dell’esperimento Conoscenze Sommario Effetto Kerr magneto-ottico Descrizione dell’esperimento Conoscenze Impegno richiesto

Effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) Si consideri una superficie riflettente non magnetizzata Consideriamo un’onda polarizzata linearmente incidente su di essa Se la polarizzazione è ortogonale al piano di incidenza (pol. “s”), dopo la riflessione l’onda mantiene lo stesso stato di polarizzazione

M Effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) Su un campione viene indotta una magnetizzazione M M è // alla superficie del campione ed al piano di Incidenza (MOKE longitudinale) Un’onda polarizzata linearmente “s”, dopo la riflessione si trasforma in un’onda polarizzata ellitticamente e con l’asse maggiore ruotato rispetto alla polarizzazione iniziale M

Effetto Kerr magneto-ottico (MOKE)

Effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) In generale, sia la rotazione, K , che l’ellitticità, K , indotte sull’onda riflessa sono  M Misurando K o K  M al variare del campo esterno H, si possono ricostruire i cicli di isteresi (grafici M vs. H) del materiale e determinarne le proprietà magnetiche locali K e K sono generalmente molto piccoli (10-5 rad) Principio della misura Polarizzatori "incrociati" NO MOKE  K,K = 0  NO luce  NO segnale dal rivelatore MOKE  K,K  0  luce in uscita  segnale dal rivelatore Problemi: K e K piccoli  segnali piccoli

Effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) Confronto tra due metodi di misura: Convenzionale  oscilloscopio Modulazione della luce  amplificatore lock-in Calibrazione dell'apparato di misura Determinazione delle curve R1(K) e R2(K) per "grandi" valori di K e K (10-3 rad) Sensibilità Estrapolazione della sensibilità a piccoli valori di K e K (10-5 10-6 rad) Stima dell'errore di sensibilità Necessità di tecniche modulazione (secondo metodo) Modulatore foto-elastico Analizzatore di polarizzazione + rivelatore Amplificatore lock-in

Apparato sperimentale Helmoltz coils Polarizing prism Polarizing beam-splitter PEM He-Ne laser Sample Half-wave plate Mirror Light detector

Apparato sperimentale Photodetector (photodiode bridge) Photo-Elastic Modulator Lock-in amplifier

Analisi dati

Analisi dati

Analisi dati Hysteresis loop along SmCo film’s easy magnetization axis (0°) and hard magnetization axis (90°).

Strumentazione e tecniche impiegate Laser He-Ne, CW, potenza: 10 mW,  = 633 nm; Componenti ottici (polarizzatori, lamine, …) Bobine di Helmoltz + alimentatori + sonda Hall Modulatore foto-elastico (PEM) Rivelatore: fotodiodo (ponte a diodi) Oscilloscopio digitale Amplificatore lock-in Strumentazione per acquisizione dati e controllo da computer (LabView) Elaborazione dei dati (Microcal Origin)

Conoscenze richieste Ottica Geometrica Ondulatoria - polarizzazione (opto-elettronica) Strumentazione elettronica (Interfacciamento) Oscilloscopio digitale Rivelatori di radiazione (PD) (Amplificatore lock-in) Statistica Informatica/calcolo LabView Microcal Origin

Impegno richiesto Circa 40 h: 4 h: introduzione alle problematiche 2 h: guida alle norme di sicurezza 4 h: familiarizzazione con la strumentazione e le tecniche di misura 20 h: realizzazione delle misure 10 h: analisi dei dati

Campioni da caratterizzare (film) Ferro (con uno strato protettivo di CaF2) Materiale “soft”: si magnetizza con campi esterni molto piccoli ( 1 mT) Isotropo LSMO Anisotropo: asse “easy” ed asse “hard” Fe/BaFeCoAs Diversi spessori di (BaFeCoAs) Effetto del Fe sulle proprietà magnetiche di (BaFeCoAs)

Apparato sperimentale I

Analisi dati Magnetocrystalline anisotropy 70nm CaF2 20nm LSMO Fe STO MgO Fe CaF2 20nm LSMO STO 70nm Hysteresis loop along LSMO film’s easy magnetization axis (0°) and hard magnetization axis (90°). LSMO crystallizes in a trigonal system. It exhibits a typical uniassic magnetocrystalline anisotropy. Hysteresis loop along Fe film’s. Fe crystallizes in a body-centered cubic system. It exhibits typical cubic magnetocrystalline anisotropy in the plane.

Analisi dati Exchange bias in the hysteresis loop in a MgO/FeCaF2 film