Ας μάθουμε μαζί την αρχή εφαρμογής των υλικών Magneto Optic Crystal!

Με την ανάπτυξη της οπτικής επικοινωνίας και της τεχνολογίας λέιζερ υψηλής ισχύος, η έρευνα και η εφαρμογή μαγνητο-οπτικών απομονωτών έχουν γίνει ολοένα και πιο εκτεταμένες, γεγονός που έχει προωθήσει άμεσα την ανάπτυξη μαγνητο-οπτικών υλικών, ιδιαίτεραMagneto Optic Crystal. Μεταξύ αυτών, οι μαγνητο-οπτικοί κρύσταλλοι όπως ο ορθοφερρίτης σπάνιων γαιών, το μολυβδαινικό σπάνιων γαιών, το βολφραμικό σπάνιων γαιών, ο γρανάτης σιδήρου υττρίου (YIG), ο γρανάτης αλουμινίου τερβίου (TAG) έχουν υψηλότερες σταθερές Verdet, παρουσιάζοντας μοναδικά πλεονεκτήματα μαγνητοοπτικής απόδοσης και ευρείες προοπτικές εφαρμογής.

Τα μαγνητικά-οπτικά εφέ μπορούν να χωριστούν σε τρεις τύπους: φαινόμενο Faraday, φαινόμενο Zeeman και φαινόμενο Kerr.

Το φαινόμενο Faraday ή η περιστροφή Faraday, που μερικές φορές ονομάζεται μαγνητο-οπτικό φαινόμενο Faraday (MOFE), είναι ένα φυσικό μαγνητο-οπτικό φαινόμενο. Η περιστροφή πόλωσης που προκαλείται από το φαινόμενο Faraday είναι ανάλογη με την προβολή του μαγνητικού πεδίου κατά την κατεύθυνση της διάδοσης του φωτός. Τυπικά, αυτή είναι μια ειδική περίπτωση γυροηλεκτρομαγνητισμού που προκύπτει όταν ο τανυστής της διηλεκτρικής σταθεράς είναι διαγώνιος. Όταν μια δέσμη επίπεδου πολωμένου φωτός διέρχεται από ένα μαγνητο-οπτικό μέσο τοποθετημένο σε μαγνητικό πεδίο, το επίπεδο πόλωσης του επίπεδου πολωμένου φωτός περιστρέφεται με το μαγνητικό πεδίο παράλληλο προς την κατεύθυνση του φωτός και η γωνία εκτροπής ονομάζεται γωνία περιστροφής Faraday.

Το φαινόμενο Zeeman (/ˈzeɪmən/, ολλανδική προφορά [ˈzeːmɑn]), που πήρε το όνομά του από τον Ολλανδό φυσικό Pieter Zeeman, είναι η επίδραση του διαχωρισμού του φάσματος σε διάφορα συστατικά παρουσία ενός στατικού μαγνητικού πεδίου. Είναι παρόμοιο με το φαινόμενο Stark, δηλαδή το φάσμα χωρίζεται σε διάφορα συστατικά υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Παρόμοια επίσης με το φαινόμενο Stark, οι μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών στοιχείων έχουν συνήθως διαφορετικές εντάσεις και ορισμένες από αυτές απαγορεύονται εντελώς (σύμφωνα με την προσέγγιση του διπόλου), ανάλογα με τους κανόνες επιλογής.

Το φαινόμενο Zeeman είναι η αλλαγή στη συχνότητα και την κατεύθυνση πόλωσης του φάσματος που δημιουργείται από το άτομο λόγω της αλλαγής του τροχιακού επιπέδου και της συχνότητας κίνησης γύρω από τον πυρήνα του ηλεκτρονίου στο άτομο από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Το φαινόμενο Kerr, γνωστό και ως δευτερογενές ηλεκτροοπτικό φαινόμενο (QEO), αναφέρεται στο φαινόμενο που ο δείκτης διάθλασης ενός υλικού αλλάζει με την αλλαγή του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Το φαινόμενο Kerr είναι διαφορετικό από το φαινόμενο Pockels επειδή η επαγόμενη μεταβολή του δείκτη διάθλασης είναι ανάλογη με το τετράγωνο του ηλεκτρικού πεδίου και όχι μια γραμμική αλλαγή. Όλα τα υλικά παρουσιάζουν το φαινόμενο Kerr, αλλά ορισμένα υγρά το παρουσιάζουν πιο έντονα από άλλα.

Ο φερρίτης σπανίων γαιών ReFeO3 (το Re είναι ένα στοιχείο σπανίων γαιών), γνωστό και ως ορθοφερρίτης, ανακαλύφθηκε από τους Forestier et al. το 1950 και είναι ένας από τους πρώτους που ανακαλύφθηκαν Magneto Optic Crystals.

Αυτός ο τύποςMagneto Optic Crystalείναι δύσκολο να αναπτυχθεί με κατευθυντικό τρόπο λόγω της πολύ ισχυρής μεταφοράς του τήγματος, των έντονων ταλαντώσεων σε μη σταθερή κατάσταση και της υψηλής επιφανειακής τάσης. Δεν είναι κατάλληλο για ανάπτυξη με τη μέθοδο Czochralski και οι κρύσταλλοι που λαμβάνονται με την υδροθερμική μέθοδο και τη μέθοδο του συνδιαλύτη έχουν κακή καθαρότητα. Η τρέχουσα σχετικά αποτελεσματική μέθοδος ανάπτυξης είναι η μέθοδος της οπτικής πλωτής ζώνης, επομένως είναι δύσκολο να αναπτυχθούν μεγάλου μεγέθους, υψηλής ποιότητας μονοκρυστάλλοι ορθοφερρίτης σπανίων γαιών. Επειδή οι κρύσταλλοι ορθοφερρίτη σπανίων γαιών έχουν υψηλή θερμοκρασία Curie (έως 643 K), ορθογώνιο βρόχο υστέρησης και μικρή δύναμη καταναγκασμού (περίπου 0,2 emu/g σε θερμοκρασία δωματίου), έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σε μικρούς μαγνητο-οπτικούς απομονωτές όταν η μετάδοση είναι υψηλή (πάνω από 75%).

Μεταξύ των συστημάτων μολυβδαινικών σπάνιων γαιών, τα πιο μελετημένα είναι το διπλό μολυβδαινικό τύπου σχελίτη (ARe(MoO4)2, το Α είναι ιόν μετάλλου μη σπάνιων γαιών), το τριπλάσιο μολυβδαινικό (Ｒe2(MoO4)3), το τετραπλάσιο μολυβδαινικό (A2Re4ly)(MoO4) και το επταπλάσιο μολυβδαινικό (A2Re4ly)(MoO4) (A2Ｒe4(MoO4)7).

Τα περισσότερα από αυτάMagneto Optic Crystalsείναι λιωμένες ενώσεις της ίδιας σύνθεσης και μπορούν να αναπτυχθούν με τη μέθοδο Czochralski. Ωστόσο, λόγω της εξάτμισης του MoO3 κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης, είναι απαραίτητο να βελτιστοποιηθεί το πεδίο θερμοκρασίας και η διαδικασία προετοιμασίας του υλικού για να μειωθεί η επιρροή του. Το πρόβλημα του ελαττώματος ανάπτυξης του μολυβδαινικού άλατος σπάνιων γαιών κάτω από μεγάλες διαβαθμίσεις θερμοκρασίας δεν έχει λυθεί αποτελεσματικά και δεν μπορεί να επιτευχθεί ανάπτυξη κρυστάλλων μεγάλου μεγέθους, επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μαγνητο-οπτικούς απομονωτές μεγάλου μεγέθους. Επειδή η σταθερά Verdet και η διαπερατότητά του είναι σχετικά υψηλές (πάνω από 75%) στη ζώνη ορατού-υπέρυθρου, είναι κατάλληλο για μικροσκοπικές μαγνητο-οπτικές συσκευές.