Szélessávú mágneses-optikai spektroszkópia összetett mágneses anyagokon
Title in English
Broadband Magneto-optical Spectroscopy on Complex Magnetic Materials
Keywords in Hungarian
mágneses-optikai aktivitás, infravörös spektroszkópia, összetett mágneses struktúrák, frusztrált mágneses rendszerek
Keywords in English
magneto-optical activity, infrared spectroscopy, complex magnetic ordering, frustrated magnetic systems
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Optical and dielectric properties
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Department of Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2009-06-01
Closing date
2012-07-31
Funding (in million HUF)
14.941
FTE (full time equivalent)
2.12
state
closed project
Summary in Hungarian
A nagy mágneses-optikai (MO) effektust mutató anyagok az optikai kommunikáció és adattárolás alapvető építőkövei. Mivel közülük csak kevés integrálható a napjainkban elterjedt félvezető technológiákba, nagy igény mutatkozik új mágneses félvezetők előállítására, melyek óriási mágneses-optikai aktivitást mutatnak így a téma napjaink szilárdtestfizikájának intenzíven kutatott területévé vált.
Elkezdtük egy modern MO labor felépítését PhD hallgató bevonásával, nemzetközi együttműködésekre is támaszkodva. A fejlesztésekben és az új mágneses rendszerek vizsgálatában számos új diáknak kívánunk kutatási lehetőséget biztosítani.
A projekt keretében tervezzük egy szélessávú mágneses-optikai spektrométer kifejlesztését. A MO spektroszkópia egy kiváló érzékenységű eszköz felületi mágnesezettség vizsgálatára. Ezen felül a mágneses-optikai gerjesztések spektrumából mágneses anyagok alapvető mikroszkopikus jellemzőit határozhatjuk meg, úgy mint az elektronok sávszerkezete, a kicserélődési kölcsönhatások és a spin-pálya csatolás erőssége. A módszer gyakran ion-szelektív is lehet, azaz képes különbséget tenni egy összetett mágneses rendszer egyes alkotói között. Ezért a tervezett egyedi mérőrendszer, mely a közép-infravörös tartománytól az ultraibolyáig használható, jó alapot jelentene új mágneses anyagok vizsgálatához és az alapkutatás terén számos más alkalmazáshoz.
A következő három anyagcsaládot tervezzük vizsgálni:
· Mágneses félvezetőket, melyek óriási MO effektust mutatnak. Előzetes kutatások alapján a króm spinelek és az átmeneti fém-szilícium félvezetők ideális jelöltek.
· Az ún. multiferroic anyagok -melyek egyszerre mutatnak spontán mágnesezettséget és elektromos polarizációt- általában ferrimágnesek több alráccsal és érdekességük, hogy erős kereszteffektusoknak köszönhetően elektromos polarizációjuk külső mágneses térrel változtatható. A MO spektroszkópia ion-szelektivitását használva kívánjuk vizsgálni a multiferro karakter eredetét.
· Komoly várakozások szerint azokban a fémes mágnesekben, melyek nagy anomális Hall effektust mutatnak, nagy eséllyel találhatunk nagy transzverzális optikai vezetőképességet az infravörös tartományban, mely az erős spin-pálya csatolás és a Fermi energiánál lévő sávdegeneráció együttes következménye.
Summary
Materials showing large magneto-optical (MO) effect are widely used in optical communication and data recording. As only some of them can be integrated into the present semicoductor-based information technology, the synthesis of new magnetic semiconductors exhibiting giant MO activity is a hot topic of solid state physics.
The building-up of a high-standard MO laboratory has been started. In the research field outlined below we are going to involve several undergraduate and graduate students.
The first aim of the project is the development of a broadband magneto-optical spectrometer. MO spectroscopy offers a sensitive tool for the optical detection of surface magnetization. Furthermore, it can provide information about fundamental physical properties of magnetic materials such as band structure, exchange interactions and spin-orbit coupling. The method is often site selective, i.e. it can distinguish between the different components of complex magnetic systems. Thus, this unique instrument covering the energy range from infrared to ultraviolet would form a solid basis for the investigation of novel magnetic materials.
We are going to investigate following three class of materials:
· Magnetic semiconductors with giant MO effect. Chromium spinels and transition metal - silicides seems to be ideal candidates.
· Multiferroic materials -which simultaneously show spontaneous magnetization and polarization- are usually ferrimagnets with several magnetic sublattices. Due to strong cross-correlation effects their electric polarization can be manipulated by external magnetic field. Using the ion selectivity of the MO spectroscopy, we are going to study the microscopic origin of the multiferroic character.
· There are strong implications that metallic magnets with large anomalous Hall effect also show remarkable trnasverse conductivity in the infrared region due to the presence of large spin-orbit interaction and degeneracy points in their band structure.
Final report
Results in Hungarian
A projekt alapvető célkitűzése egy széles fotonenergia tartományban használható és a nagy érzékenység érdekében polarizáció modulációs elven működő magneto-optikai spektrométer kifejlesztése a BME Fizika Tanszékén, ami kereskedelmi forgalomban nem hozzáférhető. A moduláris és a változó kísérleti feladatokhoz dinamikusan illeszthető mérőegység építése befejeződött. A fejlesztés során megvalósítottuk a polarizáció modulációs technika adaptációját egy az infravörös tartományt (80meV-1eV) átfogó Fourier transzformációs spektrométerre illetve egy az ultraibolyától a közeli infravörösig terjedő tartományt (0.7-6eV) lefedő diszperziós monokromátorra. Az így megépített optikai mérőegység polarizációváltozás nagy, ~0.001 fok pontosságú detektálását teszi lehetővé mind reflexiós, mind transzmissziós geometriában a teljes 80meV-6eV fotonenergia tartományon, ami világviszonylatban is kiemelkedő és egyedi. A spektrométer építésében, illetve az eszközzel mágneses anyagokon és biológiai mintákon történő mérésekben témavezetésemmel három PhD hallgató és két MSc-s diák vett részt.
A projekt keretében mágneses anyagok és biológiai minták széles körén elért eredményeink többsége már rangos folyóiratokban (Physical Review Letters, Nature Physics) került közlésre. Ezek részletes ismertetése a csatolt beszámolóban található.
Results in English
The main goal of the project was to develop a unique magneto-optical spectrometer using a polarization modulation technique to achieve high sensitivity over a broad spectral region. This optical measurement system has been built in a modular form, which can be easily modified according to the actual experimental requirements and challenges. To achieve high sensitivity in the detection of polarization effects over a wide spectral range, we adapted a polarization moduation method to a Fourier transform infrared spectrometer (80meV-1eV) and to a grating monochromator covering the near infrared-visible-ultraviolet range (0.7-6eV). This system has an outstanding precision of ~0.001 degree in the detection of polarization changes either in transmission or in reflection geometry over the whole photon energy region 80meV-6eV. Under my supervision, three PhD and two master students contributed to the development of the setup and participated in experiments on magnetic materials and biological samples.
Part of the scientific results obtained within the project on a large variety of magnetic compounds and biological samples have already been published in high-rank journal such as Physical Review Letters and Nature Physics and are described in the full-length research report.
S. Bordács, I. Kézsmárki, D. Szaller, L. Demkó, N. Kida, H. Murakawa, Y. Onose, R. Shimano, T. Rõõm, U. Nagel, S. Miyahara, N. Furukawa and Y. Tokura: Chirality of matter shows up via spin excitations, Nature Physics published online, DOI: 10.1038/NPHYS2387, 2012
A.Butykai, A. Orbán, V. Kocsis, D. Szaller, S. Bordács,1 E. Tátrai-Szekeres, L. Kiss, A. Bóta, T. Zelles, and I. Kézsmárki: Malaria pigment crystals as magnetic micro-rotors: key for high-sensitivity diagnosis, Nature Communications (submitted), 2012
