Первым из экспериментально обнаруженных ФИМЭ было наблюдение изменения под действием освещения поля ферромагнитного резонанса, наблюдавшееся в легированных кремнием образцах железо-иттриевого граната (ЖИГ) Y₃Fe_5-xSi_xO₁₂ (0,1´ 0,3) /9/. Монокристаллический образец в форме шара диаметром 0,3 мм охлаждался в темноте до 20°K. Внешнее магнитное поле поддерживалось в направлении [111]. При этих условиях ферромагнитный резонанс на фиксированной частоте ω_r=2π´ 9400 Мгц наблюдался во внешнем поле H₁, удовлетворяющем условию Н₁+H^[111]=ω_r/γ= const H^[111] - поле анизотропии в направлении [111]. Затем внешнее поле переключалось в направлении [], что вызывало соответствующее изменение направления намагниченности в образце. Резонанс при этом наблюдался во внешнем поле Н₂ таком, что H₂+H=ω_r/γ. Оно оказалось больше H₁, т.е. H<H^[111]∙Н_r медленно релаксировало к более низкой величине, оставаясь значительно больше H₁. При освещении образца вольфрамовой лампой (на образец падала мощность Р~10 мквт) наблюдалось постепенное уменьшение резонансного поля H₂ до величины, близкой к Н₁ (рис.1). Это уменьшение поля ФМР свидетельствовало об изменении поля анизотропии в направлении [] . При 4,2°K это изменение составляло 2000 э, при 20°K - 140 э (рис.1)и при 66°K - 21 э.

Изменение начальной магнитной проницаемости под действием освещения на образцах ЖИГ, легированных кремнием, наблюдалось в работах /5,10/. Эффект наблюдался только на низколегированных образцах (x<0,05). Монокристаллические образцы имели форму рамки и служили сердечниками трансформатора. На первичную обмотку подавалось напряжение малой амплитуды частотой 10 Кгц. Регистрировалось напряжение во вторичной обмотке, пропорциональное начальной магнитной проницаемости μ. Образец охлаждался в темноте до 77°K и размагничивался переменным током с постепенно уменьшающейся амплитудой. При освещении образца белым светом

Рис.1. Поле ферромагнитного резонанса в образце ЖИГ Si_0,1 как функция времени. Нулевой момент времени соответствует переключению внешнего поля от направления [111] к направлению [111] . Кривая А - без освещения. Кривая В - освещение включается через 40,5 мин. Т = 20°К.

от теплового источника с максимумом излучения на длине волны 1,5 мкм интенсивностью 10^-2 вт/см μ уменьшалось в течение нескольких минут (рис.2а). Изменение оказалось зависящим не от интенсивности освещения, а от экспозиции: при освещении периодическими импульсами с той же средней мощностью света изменение μ в точности соответствовало непрерывному режиму освещения. Разрешение временной структуры эффекта наблюдалось только при частоте следования импульсов света f<1 имп/мин (рис.3).

Эффект изменения μ под действием света оказался при тех же условиях эксперимента более резко выраженным на поликристаллических образцах состава Y₃Fe_4,994Si_0,006O₁₂ (рис.2б).

  а)

  б)

Рис.2. Временная зависимость начальной магнитной проницаемости при Т = 77°K:

а) монокристалл ЖИГ: Si_0,05 в форме ремки;

б) поликристаллический тороид ЖИГ: Si0,006. Освещение белым светом с интенсивностью 10^-2 вт/см². Обратите внимание на различные временные масштабы.

На лучших образцах изменение от μ≈160 до μ≈4 наблюдалось за t≈20 c.

Результаты, подобные рис.2а,б были получены также на образцах ЖИГ, легированных N1 /11/, Ca /12/, Pb /13/, Мn /14,15/.

Рис.3. Изменение начальной магнитной проницаемости монокристалла ЖИГ: Si_0,025 под действием освещения при Т=77°K. Штриховая кривая соответствует непрерывному освещению с интенсивностью 10^-2 вт/см² сплошная кривая - освещению вспышками (с той же средней интенсивностью) в моменты времени t₁, t₂, t₃, t₄. Ясно виден интегральный характер эффекта.

Индуцированное светом изменение начальной магнитной проницаемости наблюдалось также на монокристаллических образцах Cd_1-xGa_xCr₂Se₄, x=0,015. Этот ферромагнитный полупроводник имеет структуру шпинели и температуру Кюри Т_c=130°K. Измерение начальной магнитной проницаемости проводилось на частоте 10 Кгц. Величина и характер изменения μ под действием освещения зависят от температуры образца (рис.4) /16/.

На образцах ЖИГ Y₃Fe_5-xSi_xO₁₂ (x=0,006; x=0,025) было зарегистрировано индуцированное светом изменение вида гистерезисной кривой /5,10/. Эффект резче выражен на поликристаллических образцах (рис.5). Кривые снимались на частоте 50 гц при Т=77°K. При амплитуде переменного поля от 0,8 э до 2 э (значения, соответствующие величине коэрцитивной силы до и

Рис.4. Начальная магнитная проницаемость CdCr₂Se₄:Ga_0,015 как функция времени при Т = 77°K и Т = 4,2°K.

Детальные исследования по влиянию света на параметра петли гистерезиса в образцах ЖИГ состава Y₃Fe_4,96Si_0,04O₁₂ коэрцитивную силу, амплитуду магнитной индукции, остаточную магнитную индукцию, коэффициент прямоугольности, потери на гистерезис, динамическую магнитную проницаемость проведены в работе /17/. Влияние света на форму петли гистерезиса было обнаружено также в СdСr₂Sе₄.

В работе /18/ на намагниченных до насыщения образцах Y₃Fe_4,99Si_0,01O₁₂ при T=150°K наблюдалось индуцированное светом изменение намагниченности насыщения M_s. Изменение

а)

  б)

Pиc.5. Петли гистерезиса на частоте 50 гц поликристаллического тороида ЖИГ: Si_0,006 при Т=77°К:

намагниченности насыщения ΔM_s фиксировалось на магнитооптической установке. При освещении образца белым светом в течение 2 мин. (освещенность 3∙10³ лк) был зарегистрирован поворот плоскости поляризации на длине волны λ=3,39 мкм на 0,5 град, что соответствует изменению намагниченности насыщения ΔM_s=1 Гс (М_s=180 Гс).

Все рассмотренные выше экспериментально наблюдавшиеся эффекты объясняются в цитируемых работах на основе следующей простой модели. Ионы Fe²⁺(Сr²⁺ в Сd_1-xGa_xCr₂Se₄) могут занимать в решетке два положения, несколько различающихся между собой по энергии, причем вклад ионов одного типа в магнитные свойства

Авторы работы /19/ наблюдали индуцированное светом изменение коэффициента поглощения α в образцах Y₃Fe_4,97Gа_0,03О₁₂. По мнению авторов, эффект имеет ту же природу, что и рассмотренные выше, и является следствием перераспределения ионов, вызванного внутренним фотоэффектом. Результаты представлены на рис.6.

Рис.6. Оптическое поглощение ЖИГ: Са_0,03 как функция температуры для λ=1,15 мкм. Образец охлаждался от точки А к точке В и затем освещался. После освещения образец циклически охлаждался.

Направление изменения температуры в образце показано стрелками. В точке В образец освещался белым светом, что вызывало изменения коэффициента поглощения с 15 см^-1 до 36 см^-1. Необратимое

оптически индуцированное изменение коэффициента поглощения наблюдалось также в Y₃Fe_5-xSi_xO₁₂ (x<0,017), но эффект имел меньшую величину /19,20/.

Наблюдавшийся в /5,10/ эффект изменения магнитной проницаемости в Y₃Fe_5-xSi_xO₁₂ необратим, то есть фотоиндуцированное изменение μ не могло быть восстановлено комбинированным действием магнитного поля и света при значениях магнитных полей до 3 кэ. Первоначальное состояние могло быть восстановлено только нагревом образца до Т>200°K. Однако в работе /21/ сообщается о частичном восстановлении фотоиндуцированного изменения величины начальной магнитной проницаемости в ЖИГ: Si путем намагничивания образца во внешнем магнитном поле. Измерение μ проводилось на образцах Y₃Fe_4,99Si_0,01O₁₂ по стандартной методике /5/ на частоте 100 кгц. Результаты показаны на рис.7.

Рис.7. Зависимость магнитной проницаемости ЖИГ: Si_0,01 от времени: 1 и 2 - время включения и выключения освещения; 3 и 4 - время включения и выключения намагничивающего поля.

Образец перед началом цикла 1-2-3-4 после охлаждения в темноте до температуры жидкого азота размагничивался в переменном магнитном поле, после чего он освещался лампой накаливания. Освещенность (100) плоскости образца площадью 10´ 0,6 мм² составляла 250 лк. Из рисунка видно, что величина магнитной проницаемости образца, охлажденного в темноте, уменьшается при его освещении (участок 1-2). Когда освещение выключается, полученное значение магнитной проницаемости практически сохраняется со временем без заметного теплового затухания (участок 2-3). Намагничивание образца в магнитном поле Н=3700 э (поле насыщения образца 3000 э) (участок 3-4) частично "стирает" фотоиндуцированное изменение магнитной проницаемости. Величина восстановления в среднем составляла 30% от величины изменения магнитной проницаемости под действием света. Многократное (до 10 раз) восстановление магнитной проницаемости происходило с незначительным уменьшением величины восстановления. После выключения намагничивающего поля и частичного восстановления магнитной проницаемости ее величина незначительно релаксирует к прежнему, полученному после освещения, значению (участок 1-4) с характерным временем ~ 1 мин. Объяснения эффект восстановления фотоиндуцированного изменения μ в магнитном поле пока не нашел. В качестве его возможного применения авторы предлагают неселективное стирание магнитным полем записанной оптическим способом информации.

На поликристаллических образцах Cd_1-xGa_xCr₂Se₄ при Т=77°K наблюдался фотоиндтаированный магнитный эффект, названный авторами по аналогии с /7,8/, фотоферромагнитным (ФФЭ) /22-23/. Эффект заключался в уменьшении величины высокочастотной магнитной проницаемости освещаемого образца, его регистрация проводилась по изменению собственной частоты LC -контура, в катушку индуктивности которого помещался исследуемый образец. На частоте ω=2,6 Мгц эффект имел величину Δμ/μ ~ 10^-4 для образца, содержащего 1 ат% Ga, для чистого CdCr₂Se₄ эффект на порядок меньше. При импульсном освещении образца лампой-вспышкой с длительностью импульса 20 мс эффект не обнаруживал инерционности.

Частотные, временные и спектральные характеристики фотоферромагнитного эффекта в Cd_1-xGa_xCr₂Se₄ при различных уровнях легирования исследованы в работе /24/. Обнаружено, в частности, что от х=0,004 до у=0,01 времена релаксации эффекта на длине волны λ=1 мкм при мощности подсветки Р=2 мвт растут от единиц до нескольких десятков секунд, дальнейшее легирование приводит к резкому уменьшению времен релаксации до 50 мс и уменьшению амплитуды эффекта. Спектральные максимумы фотоферромагнитного эффекта и фотопроводимости оказались совпадающими на длине волны λ=1,2 мкм. Аналогичное совпадение спектральных максимумов ФФЭ и ФП наблюдалось в Cd_1-xZn_xCr₂Se₄ (0<x≤0,33) /25/.

В работе /26/ исследовалось влияние света на вид петли гистерезиса CdCr₂Se₄. Из монокристаллов CdCr₂Se₄, размером 2-3 мм вырезался тор толщиной ~ 300 мкм. На тор наматывались две обмотки 3-10 витков. На первичную обмотку подавалось напряжение звуковой частоты, а сигнал со вторичной обмотки после интегрирования подавался на осциллограф. Измерения проводились при Т=77°K. На рис.6а показаны петли гистерезиса CdCr₂Sе₄ в темноте и при освещении белым светом интенсивностью 5 мвт/см².

Из рис.8а видно, что освещение значительно увеличивает коэрцитивную силу материала, которая для чистого СdСr₂Se₄ в темноте составляет 0,1 э. Динамические петли гистерезиса CdCr₂Se₄ при малых полях возбуждения показаны на рис.8б. При освещении белым светом μ уменьшается, как видно из рисунка, в 10 раз.

Изменение петли гистерезиса, как отмечено в /26/, наблюдается не только в чистом CdCr₂Se₄, но и в образцах, легированных Gа, Ag, а также в образцах из системы твердых растворовCd_1-xZn_xСr₂Se₄ и СdCr₂Se₄S_x, обнаруживающих фотоферромагнитный эффект. При этом интересной особенностью является то, что остаточная намагниченность образцов определяется только тем, был ли освещен образец в момент намагничивания или нет, и не зависят от последующих изменений освещенности.

В /27/ обнаружено гашение остаточного ФФЭ в чистом CdСr₂Se₄ и CdCr₂Se₄, легированном Ga, инфракрасной под-

  а)

  б)

Рис.8. а) Динамические петли гистерезиса CdCr₂Se₄ на частоте 50 гц при

Т=77°K:

1 - в темноте; 2 - при освещении белым светом.

1- в темноте; 2 - при освещении белым светом.

светкой в диапазоне энергий 0,45 - 1,0 эВ. При Т=7°K характерное время гашения ~ 2 минут, при Т = 77°K ~10 с.

В работе /28/ исследовалось изменение величины высокочастотной магнитной проницаемости освещенного CdCr₂Se₄, легированного Gа (x=0,035) под действием импульсов внешнего

магнитного поля различной длительности. Измерения проводились при Т=77°K. Характерное время изменениями при включении и выключении поля поставляло ~ 0,1 мс. При H=6 а/м и Δμ<~6%. При этом в неосвещенном образце Δμ~ имеет противоположный знак (рис.9,10). С точки зрения возможности записи информации было бы интересным проведение аналогичных исследований при импульсном освещении образца, синхронизованном с импульсами внешнего магнитного поля.

Рис.9. Поведение высокочастотной магнитной проницаемости CdCr₂Se₄:Ga_0,035 под действием подмагничивающего поля:

в) импульс подмагничивающего поля (τ=5 мс, Н=6 а/м).

Отмеченное выше совпадение спектральных максимумов фото-ферромагнитного эффекта и фотопроводимости в CdCr₂Se₄ означает, что природа этих явлений одинакова. Наиболее вероятной причиной фотоферромагнитного эффекта в CdCr₂Se₄, по мнению авторов, может быть образование ионов Сr²⁺ из ионов Сr³⁺ при возбуждении электронов из валентной зоны. При этом ионы Сr образуют подрешетку с магнитным моментом, направленным противоположно моменту решетки ионов Сr, что приводит к уменьшению суммарного момента. При этом наблюдавшееся в /27/ гашение остаточного ФФЭ связывается с появлением дополнительного канала ре-

Рис.10. Поведение высокочастотной магнитной проницаемости освещенного белым светом образца CdСr₂Se₄:Ga_0,035 под действием подмагничивающего поля (H=6 a/м):

а) длительность импульса τ = 5 мс;

б) τ = 1 мс;

в) τ = 0,1 мс;

Характерной особенностью результатов работ /22-28/ по изучению фотоферромагнитного эффекта в CdCr₂Se₄, является значительно меньшая инерционность наблюдавшихся явлений по сравнению с результатами работ, приведенных выше, в том числе работы /16/, в которой наблюдалось фотоиндуцированное изменение μ в этом же материале. Это позволяет предположить, что эффекты, наблюдавшиеся в /22-28/, возможно, имеют иную природу. Как отмечено в /23/, не исключено, что они могут быть результатом механизма, предложенного в /7,8/.

Авторы работы /29/ наблюдали изменение магнитной восприимчивости χ в FeBO₃ под действием освещения в интервале длин волн 0,4-1,1 мкм. При Т=77°K изменение является необратимым и может быть стерто только магнитным насыщением материала. Кривая спектральной зависимости эффекта, на которой откладывалась величина , где I - интенсивность подсветки, оказалась подобной кривой оптического поглощения. При более высоких температурах фотоиндуцированные изменения релаксируют с временами релаксации от 0,3 до 300 с в температурном интервале 130-180°K. Результаты интерпретируются как фотоиндуцированное изменение конфигурации доменных стенок в образце.

Во всех названных выше экспериментальных работах использовалось неполяризованное излучение. Исследование зависимости наведенного линейно-поляризованным светом изменения магнитной кристаллической анизотропии в образцах Y₃Fe_5-xSiO₁₂ (x≤0,03) от угла между плоскостью поляризации и кристаллографическими осями проводилось в работах /30-32/. В /31/ на образец, отполированный в плоскости (001), направлялось прошедшее через поляризационную призму излучение вольфрамовой лампы накаливания. Интенсивность на поверхности образца составляла 310 мвт/см². Изменение магнитной анизотропии регистрировалось на крутильных весах. При изменении направления поляризации падающего света на 45° в плоскости образца возникавший в поле 80 э удельный крутящий момент составлял 1,6´ 104 дин см/см³. Измерения проводились при температуре жидкого гелия (4,2°K). Характерное время нарастания эффекта ~100 с.

В /31,32/ наблюдался индуцированный линейно-поляризованным светом линейный дихроизм в Y₃Fe_5-xSi_xO₁₂. Опыты проводились на дисках толщиной 0,05 см с плоскостью (001) при содержании кремния x= 0,028. Образец охлаждался до 1,5°K во внешнем насыщающем поле H||[100]. Регистрация дихроизма производилась с помощью слабого считывающего луча неполяризованного света с λ=1,2 мкм. Считывающий луч после прохождения образца попадал на поляроид, вращавшийся с частотой 53,3 гц. Если свет оказывался частично поляризованным, то детектором регистрировалось сину-соидальное изменение сигнала с частотой 106,6 гц. Синхронизация сигнала позволяла получить значение частичной поляризации в процентах. Образец мог дополнительно освещаться интенсивным линейно-поляризованным светом от вольфрамовой лампы с интенсивностью на поверхности образца 130 мвт/см². Фотодетектор при этом закрывался так, что сигнал в момент облучения был равен нулю. Образец вначале освещался в течение 90 с интенсивным линейно-поляризованным светом с вектором Е, направленным вдоль [110], затем вдоль [110]. После каждого цикла подсветки проводилось измерение степени частичной поляризации зондирующего луча. При этом изменение степени частичной поляризации составило 4%, что при коэффициенте поглощения α=43 см^-1 на длине волны λ=1,2 мкм было эквивалентно изменению коэффициентов поглощения Δλ=α110-α=0,8 см^-1. Результаты показаны на рис.11.

Результаты работа /33/ интерпретируются как фотоиндуцированное изменение направления намагниченности. Эксперимент проводился на образцах Y₃Fe_5-xSi_xO₁₂, x=0,02, выполненных в виде диска диаметром 4 мм и толщиной 0,015 мм с плоскостью (110). Диск охлаждался до 19°K в поле 5 кгс, ориентированном вдоль направления []. После охлаждения наблюдался линейный дихроизм с осью максимальной пропускаемости вдоль направления []. Величина линейного дихроизма составляла 9,6%. Затем внешнее поле снималось и при этом изменения величины дихроизма не наблюдалось, т.е. магнитное состояние образца оставалось неизменным. Однако, скорее всего, произошло образование магнитных доменов с направлением намагниченности вдоль [] и [], что также не отразится на величине дихроизма. После выключения магнитного поля образец освещался поляризованным инфракрасным светом с Е||[], с интенсивностью 0,5 вт/cм² на поверхности образца. Величина дихроизма уменьшалась от 9,6% до 3,6% за время ~3 мин, затем за время ~ 20 мин восстанавливалось прежнее значение величины дихроизма (рис.12б), при этом ось максимальной пропускаемости поворачивалась от направления [] к направлению [] за время ~20 мин (рис.12а). Если вектор поляризации повернуть в направление [], то ось дихроизма возвращается в направле-

Рис.11. Степень частичной поляризации света (λ=1,2 мкм), прошедшего через образец ЖИГ: Si_0,028 после облучения образца белым светом с различными направлениями поляризации. Т = 1,5°K.

ние []. Наконец, если включалось внешнее магнитное поле, то описанные эффекты нацело пропадали, наблюдалось лишь незначительное уменьшение дихроизма. Авторы /33/ интерпретируют свои результаты, как уже отмечено выше, как индуцированное светом переключение направления намагниченности M от направления [] к направлению [].

Так же, как и в приведенных выше работах, наблюдавшиеся в /30-33/ явления могут быть объяснены как результат вызванного освещением перераспределения ионов. Для объяснения зависимости наблюдавшихся явлений от направления поляризации падающего света в /34/ было предположено, что вероятность поглощения

Рис.12. а) Угол θ между осью максимальной пропускаемости образца ЖИГ: Si_0,02 и направлением [] как функция облучения. Т = 19°K.

б) Величина линейного .дихроизма как функция времени облучения. Т=19°K.

фотона не одинакова для узлов, отличающихся своей ориентацией в элементарной ячейке Y₃Fe₅O₁₂ и зависит от углов, образуемых вектором намагниченности и вектором Е с кристаллографическими направлениями.

I. П.С.Куц, В.Ф.Коваленко. IV Всесоюзная конференция по физическим основам передачи информации лазерным излучением. Киев, Тезисы докладов, стр.209, 1976.

7. Б.В.Карпенко, А.А.Бердышев. ФТТ, 5, 3397, 1963.

8. А.А.Бердышев. ФТТ, 8, 1382, 1966.

14. K.Hisatake, Phys.Status Solidi (a), 27(2), К61 (1975).

17. В.Ф.Коваленко, И.И.Кондиленко, П.С.Куц. ЖЭТФ, 74, 734, 1978.

18. П.С.Куц, В.Ф.Коваленко, В.А.Рубан. ФТТ, 15, 3707, 1973.

21. П.С.Куц, В.Ф.Коваленко. ФТТ, 17, 1481, 1975.

22. В.Г.Веселаго, Е.С.Вигелева, Г.И.Виноградова, В.Г.Калинников, В.Е.Махоткин. Письма в ЖЭТФ, 15, 316, 1972.

25. В.Е.Махоткин, Г.Г.Шабунина, Т.Г.Аминов, Г.И.Виноградова, В.Г.Веселаго, В.Т.Калинников. ФТТ, 16, 3141, 1974.

26. Л.В.Анзина, В.Г.Веселаго, С.Г.Рудов. Письма в ЖЭТФ, 23, 520, 1976.

27. Л.В.Анзина, В.Г.Веселаго, С.Г.Рудов, Т.Г.Аминов, В.Т.Калинников. ФТТ, 19, 3001, 1977.

28. В.Е.Махоткин, Г.И.Виноградова, В.Г.Веселаго. Письма в ЖЭТФ, 28, 84, 1978.

30. R.W.Teale, D.W.Temple, U.Enz, Р.F.Pеаrsоn, J.Appl.Phys., 40, 1435 (1969).

35. В.С.Запасский, П.П.Феофилов. УФН, т.116. в.1, стр.41, 1975.

36. М.М.Афанасьев, М.Е.Компан. Письма в ЖТФ, 1, 471, 1975.