磁気光学材料の基礎と応用

磁気光学材料の基礎と応用

東京農工大学 工学部物理システム工学科 佐藤勝昭 2003.3.14 第１回光機能無機材料研究会 ２１世紀ＣＯＥ「ナノ未来材料」推進研究室

講演内容

• 磁気光学効果とは？ • 磁気光学効果の基礎 • 光通信デバイスと磁気光学材料 • 光磁気記録材料 • 磁気光学研究の最近の展開 • 近接場磁気光学顕微鏡の原理と応用 • 非線形磁気光学効果による磁性体ナノ構造評価

はじめに

• 磁気光学材料は、光通信用デバイス、光磁気記 録デバイスとして実用化されている。 • 磁気光学効果は、磁化した物質の光学定数が、 右回り円偏光と左回り円偏光とで異なることに由 来し、マクロには誘電率ｒテンソルの非対角成分 から生じるが、ミクロには、磁化とスピン軌道相互 作用の相乗的な効果として説明される。 • 新しい磁気光学研究の流れが起きている。

磁気光学効果の基礎

• 光と磁気の結びつき • ファラデー効果とは • 磁気カー効果

光と磁気の結びつき

• 光→磁気：光磁気効果 – 熱磁気効果：キュリー温度記録→MOディスク – 光誘起磁化：ルビー、磁性半導体 – 光誘起スピン再配列→光モータ • 磁気→光：磁気光学効果 – スペクトル線の分裂、移動(ゼーマン効果) – 磁気共鳴：強磁場ESR、マグネトプラズマ共鳴 – 狭義の磁気光学効果（ファラデー効果→アイソレータ）

ファラデー効果とは

直線偏光が入射したとき • 出射光が楕円偏光になり (磁気円二色性） • その主軸が回転する効果 (磁気旋光：Faraday回転）

磁気カー効果

• ３つのMO-Kerr 効果 – 極カー効果（磁化が反射面の法線方向、直線偏光は 傾いた楕円偏光となる） – 縦カー効果（磁化が試料面内＆入射面内、直線偏光 は傾いた楕円偏光となる） – 横カー効果（磁化が試料面内、入射面に垂直偏光の 回転はないが磁界による強度変化）

３種類の磁気カー効果

ファラデー効果の現象論

• 結論から先に述べると、ファラデー回転角φ_F 、 ファラデー楕円率η_F は、誘電率テンソルの非 対角要素εxyの実数部と虚数部との一次結合 で与えられることが導かれる。これを導くために， まず，右円偏光および左円偏光に対する屈折 率n₊ とn_ｰ， 消光係数κ₊ とκ_- およびεxyとの関 係を導いておく。

誘電率テンソル

E

D

=ε

~ ε

₀ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ε ε ε ε ε ε ε ε ε = ε zz zy zx yz yy yx xz xy xx ~ ij ij ij

=

ε′

+

ε ′′

ε

等方性の媒質；M//z軸 Z軸のまわりの90° 回転C4に対し不変 ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ε ε ε − ε ε ε − ε − ε − ε = ε = ε′ − zz zx zy xz xx xy yz yx yy C C₄1~ ₄ ~ 0 = ε = ε = ε = ε ε − = ε ε = ε zy zx yz xz xy yx yy xx ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ε ε ε − ε ε = ε zz xx xy xy xx 0 0 0 0 ~

磁気光学効果の式

( ) ( )

( )

0 ~ 2 2 2 ∂ ω = ∂ ω ε + ω E t c E rot rot 0 0 0 0 ˆ 0 ˆ 2 2 = ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ε − ε − ε ε − ε − z y x zz xx xy xy xx E E E N N xy xx i Nˆ _±2 = ε ± ε 固有値 固有関数：左右円偏光 非対角成分がないとき：左右円偏光の応答に差がない 磁気光学効果は生じない マクスウェル方程式 固有方程式

左右円偏光に対する光学定数の差と誘

電率テンソルの成分の関係

• 磁化と平行に進む光の複素屈折率の固有値は 式(3.26) • , • 置き換え • ここに • その結果 を得る xy xx i N_±2 = ε ± ε + + + = n +iκ N N₋ = n₋ + iκ₋ 2 ; 2 ; ; _{+ −} + − + − − + − = − = + = + = Δκ κ κ κ κ κ Δn n n n n n N N i n i n i n n N Δ κ Δκ κ Δ Δκ Δ 2 1 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ⎟⎠ = + ± + ≡ ± ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ± + ± = ± κ Δ Δ ΔN = N₊ − N₋ = n +i n n n n n n xy xy xx xx Δ κ Δ κ ε Δ κ κ Δ ε κ ε κ ε − = ′′ + = ′ = ′′ − = ′ 2 2; 2

円偏光と磁気光学効果

直線偏光は等振幅等速度の左右円 偏光に分解できる 媒質を通ることにより左円偏光の位相 と右円偏光の位相が異なると旋光する 一般には、主軸の傾いた楕円になる 媒質を通ることにより左円偏光の振幅 と右円偏光の振幅が異なると楕円になる

複素ファラデー回転角

• ΔnとΔκをεxyを使って表す。 • ΔNに書き直すと • 複素ファラデー回転角 • 2 2 2 2 ; κ ε κ ε κ Δ κ ε ε κ Δ + ′′ + ′ = + ′′ − ′ = n n n n n xy xy xy xy xx xy xy xy i n i i n i i n N ε ε κ ε ε κ κ Δ Δ Δ = + ′′ + ′ − = + = 2 2 ) )( (

(

Δ Δκ

)

ζ ωΔ ζ ω Φ c N i n c F 2 2 + = − − =

複素ファラデー効果

x x y x y x x x y x x x i i i N N N ε ε ≈ ε − ε − ε + ε = − = Δ ˆ ˆ ₊ ˆ ₋ 2 ) 2 ( 2 1 ) 0 ( ) 1 ( ˆ M M i i N xx xx xy x x y x F ε + ε ε ⋅ λ π − ≈ ε ε ⋅ λ π − = λ Δ π − = Φ 磁気光学効果には対角・非対角両成分が寄与

古典電子論

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{+ ×} = + + B t u E u u dt u d m d d q m dt d m ₀2 2 2 ω γ ) , 0 , 0 ( B = B (−iωt) = E₀ exp E _u = u_{0 exp(}−_iω_t) (E u B) u u u − + = − × − mω2 imωγ mω₀2 q iω

(

)

(

)

(

)

z y qE z i m qE y i m qBx qE qB m − = − + − = − + + − − = + − + 2 0 2 2 0 2 x 2 0 2 i y i x i ω ωγ ω ω ωγ ω ω ω ω ωγ ω

電気感受率と誘電率

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ₂ 0 2 0 2 2 2 2 2 0 2 0 2 2 2 2 2 0 2 2 0 2 0 2 1 ω ωγ ω ε ω χ ω ω ω ωγ ω ωω ε ω χ ω ω ω ωγ ω ω ωγ ω ε ω χ − + ⋅ − = − − + ⋅ = − − + − + ⋅ − = i m nq i i m nq i i m nq zz c c xy c xx m qB c = ω サイクロトロン角振動数 ( )

(

)

( )

(

)

( ) ₂ 0 2 0 2 2 2 2 2 0 2 0 2 2 2 2 2 0 2 2 0 2 0 2 1 1 1 ω ωγ ω ε ω ε ω ω ω ωγ ω ωω ε ω ε ω ω ω ωγ ω ω ωγ ω ε ω ε − + ⋅ − = − − + ⋅ = − − + − + ⋅ − = i m nq i i m nq i i m nq zz c c xy c xx

磁界ゼロの場合：ローレンツの式

( ) ( ) ( ) 0 1 1 2 0 2 0 2 = − + ⋅ − = = ω ε ω ωγ ω ε ω ε ω ε xy zz xx i m nq 2 2 2 2 0 2 0 2 2 2 2 2 0 2 2 0 2 0 2 ) ( ) ( ) ( 1 ) ( γ ω ω ω ωγ ε ω ε γ ω ω ω ω ω ε ω ε + − ⋅ = ′′ + − − ⋅ − = ′ m nq m nq xx xx

磁界がなく，束縛項もない場合：

ドルーデの式

( ) ( ) ( ) 0 ) ( 1 1 0 2 = + ⋅ − = = ω ε γ ω ω ε ω ε ω ε xy zz xx i m nq ) ( ) ( 1 1 ) ( 2 2 0 2 2 2 0 2 γ ω ω γ ε ω ε γ ω ε ω ε + ⋅ = ′′ + ⋅ − = ′ m nq m nq xx xx

磁界がかかっており束縛項がない場合：

マグネトプラズマ共鳴とホール効果

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) γ ω ω σ ω γ ω ω ω σ ω γ ω γ ω ω σ i i m nq i m nq i i i m nq zz c c xy c xx + ⋅ = − + ⋅ = − + + ⋅ = 2 2 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 2 ₀ 2 2 2 2 0 2 2 2 1 1 ) / ( σ γ ω σ γ ω ω ω σ γ ω σ γ ω γ ω σ = ⋅ = + ⋅ − = + = + ⋅ = m nq m nq m nq zz c c xy c c xx ω→０

B

R

_H xy zz xx

=

=

=

ρ

σ

ρ

ρ

1

/

₀ 1

~

~

₌

_σ

−

ρ

磁界がかかっていて，束縛がなく，

散乱のない場合

( ) ( )

₍

₎

( ) ₂2 2 2 2 2 2 2 1 1 ω ω ω ε ω ω ω ω ω ω ε ω ω ω ω ε p zz c c p xy c p xx i − = − = − − =

(

)

( c ) ( p _c) c p xy xx i N ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ε ε ± − = − − = ± = ± 2 2 2 2 2 1 1 ∓

Feの磁気光学効果は

古典電子論で説明できるか？

• 比誘電率の非対角成分の大きさ：最大5の程度 • , , キャリア密度 と仮定 B=3000Tという非現実的な磁界が必要 • スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

( )

(

2

)

2 2 2 0 2 0 2 c c xy i i m nq ω ω ω ωγ ω ωω ε ω ε − − + ⋅ = eV 2 0 = = ω ω γ = 0.1eV -3 3 m cm n = 1022 − = 1028 磁気光学効果の量子論

磁気光学効果の 量子論

• 磁化の存在→スピン状態の分裂 – 左右円偏光の選択則には影響しない • スピン軌道相互作用→軌道状態の分裂 • 右(左)回り光吸収→右(左)回り電子運動誘起 • 大きな磁気光学効果の条件 • 遷移強度の強い許容遷移が存在すること – スピン軌道相互作用の大きな元素を含む – 磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱い

= + + + _{+ ・・} + + -無摂動系の 波動関数 電界の摂動を受けた 波動関数 E s-電子的 p-電子的 無摂動系の固有関数で展開 ＝ ＋ ＋・・・・ 摂動を受けた 波動関数 ( ) ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅⋅ ⋅ + − + − = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = _∑ 2 2 20 2 20 2 2 10 2 10 0 2 2 2 0 2 0 0 2 0 2 0 1 2 1 0 2 ω ω ω ω ω ω ε ω ω ω ε ω χ x x Nq x j Nq j j j xx |1> |0> |2> <0|x|1> <1|x|0>

円偏光の吸収と電子構造

L_z =0 L_z =+1 L_z =-1 s-like p-_=p x -ipy p+_=p x +ipy p_x -orbital p_y -orbital 光の電界 ω_１0 ω₂₀ ω_１0 -ω ω₂₀ -ω ω₁₀ はω₂₀ より光エ ネルギーωに近い ので左回りの状 態の方が右回り 状態より多く基底 状態に取り込ま れる ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + − − = + − 2 2 20 2 20 2 2 10 2 10 2 _{0 1 0 2} 2 ) ( ω ω ω ω ω ω ω χ x x i Nq xy |0> |1> |2>

スピン軌道相互作用の重要性

L=1 L=0 L_Z =+1,0,-1 L_Z =0 Jz=-3/2 Jz=-1/2 Jz=+1/2 Jz=+3/2 Jz=-1/2 Jz=+1/2 交換分裂 交換相互作用 +スピン軌道相互作用 磁化なし

反磁性型スペクトル

励起状態 基底状態 ω₀ ω₁ ω₂ Δ 磁化の無いとき 磁化のあるとき L_z =0 L_z =+1 L_z =-1 1+2 光子エネルギー 光子エネルギー ε’_xy ε”xy

誘電率の非対角成分のピーク値

2 0 2

4

ε

ωγ

Δ

ε

m

f

Ne

_SO peak xy

′′

=

大きな磁気光学効果を持つ条件： ・光学遷移の振動子強度 f が大きい ・スピン軌道相互作用が大きい ・遷移のピーク幅が狭い 鉄の場合：N=1028_m-3_{, f} 0 =1, Δso=0.05eV, ω0=2eV, /τ=0.1eVを代入ε_xy”|_peak=3.5を得る

常磁性型スペクトル

励起状態 基底状態 f_{+ f} -Δ f=f₊ - f -ω₀ 磁化なし 磁化あり ε’_xy ε”_xy 光子エネルギー 誘電率の 非対角要素

磁気光学効果の応用

• 光通信用磁気光学デバイス(Magneto-optical devices for optical communication)

• 光磁気記録(Magneto-optical recording)

• 電流・磁界センサー(Current and magnetic field sensors)

光通信における

磁気光学デバイスの位置づけ

• 戻り光は、LDの発振を不安定にしノイズ発生の原因 になる→アイソレータで戻り光を阻止。 • WDMの光アドドロップ多重(OADM)においてファイ バグレーティングと光サーキュレータを用いて特定 波長を選択 • EDFAの前後にアイソレータを配置して動作を安定 化。ポンプ用レーザについても戻り光を阻止 • 光アッテネータ、光スイッチ

半導体レーザモジュール用アイソレータ

Optical isolator for LD module Optical fiber Signal source Laser diode module

光ファイバ増幅器と

アイソレータ

偏光無依存アイソレータ

Fiber 2 Fiber 1 Forward direction Reverse direction ½ waveplate C Birefringent plate B₂ B₂ B₁ F C Birefringent plate B₁ Fiber 2 Fiber 1 Faraday rotator F

磁気光学サーキュレータ

Prism polarizer A Faraday rotator

Prism polarizer B

Half wave plate Port 1

Port 3

Port 2

Port 4 Reflection prism

アイソレータの今後の展開

導波路形アイソレータ • 小型・軽量・低コスト化 • 半導体レーザとの一体化 • サイズ：波長と同程度→薄膜/空気界面、ある いは、薄膜/基板界面の境界条件重要 • タイプ： – 磁気光学材料導波路形：材料の高品質化重要 – リブ形 – 分岐導波路形

導波路形アイソレータ

磁性ガーネット

• 磁性ガーネット： – YIG(Y₃ Fe₅ O₁₂ )をベースとす る鉄酸化物；Y→希土類、Bi に置換して物性制御 • 3つのカチオンサイト： – 希土類：12面体位置を占有 – 鉄Fe3+：４面体位置と８面体 位置、反強磁性結合 – フェリ磁性体 ガーネットの結晶構造

• 電荷移動型(CT)遷移 (強い光吸収)2.5eV • 配位子場遷移 (弱い光吸収) – ４面体配位：2.03eV – ８面体配位： 1.77eV,1.37eV,1.26eV

YIGの光吸収スペクトル

磁性ガーネットの3d

5

_2p

6

電子状態

6_{S (}6_A 1 , 6A1g ) 6_{P (}6_T 2 , 6T1g ) without perturbation spin-orbit interaction tetrahedral crystal field (Td) octahedral crystal field (Oh) J=7/2 J=5/2 J=3/2 5λ/2 -3λ/2 -λ J_z = 3/2 7/2 3/2 3/2 5/2 _-5/2 -3/2 -3/2 -3/2 -7/2 J_z = P_{+ P} - P+ P -品川による

YIGの磁気光学スペクトル

• 電荷移動型遷移を多電 子系として扱い計算。 experiment calculation 300 400 500 600 wavelength (nm) F a ra d a y r o ta ti o n ( a rb . u n it ) 0 -2 0 +2 Farad a y rotation (deg/cm) 0.4 x104 0.8 - 0.4 (a) (b)

Bi置換磁性ガーネット

• Bi：１２面体位置を置換 • ファラデー回転係数：Bi置 換量に比例して増加。 • Biのもつ大きなスピン軌 道相互作用が原因。 • Bi置換によって吸収は増 加しないので結果的に性 能指数が向上

Bi置換YIGの磁気光学スペクトル

実験結果と計算結果 • スペクトルの計算 – ζ_3d =300cm-1_, – ζ_2p =50cm-1 _{for YIG} – ζ_2p =2000cm-1 _{for Bi} 0.3 Y2.7 IG

K.Shinagawa:Magneto-Optics, eds. Sugano, Kojima, Springer, 1999, Chap.5, 137

II-VI系希薄磁性半導体の

結晶構造と組成存在領域

Material Crystal structur e Range of Composition Zn_1-x Mn_x S ZB WZ 0<x<0.10 0.10<x≤0.45 Zn_1-x Mn_x Se ZB WZ 0<x≤0.30 0.30<x≤0.57 Zn_1-x Mn_x Te ZB 0<x≤0.86 Cd_1-x Mn_x S WZ 0<x≤0.45 Material Crystal structure Range of Composition Cd_1-x Mn_x Se WZ 0<x≤0.50 Cd_1-x Mn_x Te ZB 0<x≤0.77 Hg_1-x Mn_x S ZB 0<x≤0.37 Hg_1-x Mn_x Se ZB 0<x≤0.38 Hg_1-x Mn_x Te ZB 0<x≤0.75

II-VI DMS の格子パラメータ

J. K. Furdyna et al., J. Solid State Chem. 46, (1983) 349

XRD EXAFS

B. A. Bunker et al., Diluted Magnetic (Semimagnetic) Semiconductors,

Cd_1-x Mn_x Teにおける

Cd

_1-x

Mn

_x

Teのバルク成長

• ブリッジマン法 – 出発原料: Cd, Mn, Te元素 – 石英管に真空封入 – 4 mm/hの速度でるつぼを降下させる。 – 融点: 1100°C – WZ (高温相) → ZB (低温相) 相転位（温度低下） • 過剰融液組成→相晶を防ぐ効果

CdMnTeの磁気光学スペクトル

• II-VI族希薄磁性半導 体：Eg(バンドギャップ) がMn濃度とともに高エ ネルギー側にシフト • 磁気ポーラロン効果(伝 導電子スピンと局在磁 気モーメントがsd相互作 用→巨大ｇ値：バンド ギャップにおける磁気光 学効果 小柳らによる Furdynaによる

半導体とアイソレータの一体化

• 貼り合わせ法 – 半導体上に直接磁性ガーネット膜作製→格子不整合の ため困難 – ガーネット膜を作っておき、半導体基板に貼り合わせ る方法が提案されている • 希薄磁性半導体の利用 – DMSの結晶構造:GaAsと同じ閃亜鉛鉱型→ – 半導体レーザとの一体化の可能性。 – 導波路用途の面内光透過の良質の薄膜作製困難。 – 安藤ら：GaAs基板上にMBE法でCdMnTeの薄膜を作製。 バッファ層：ZnTe, CdTe層

光磁気記録の特徴

• 記録： 熱磁気(キュリー温度）記録 – – 光光を用いてアクセスするを用いてアクセスする磁気記録磁気記録 • 再生： 磁気光学効果 – 磁化に応じた偏光の回転を電気信号に変換偏光の回転 • MO, MDに利用 • 互換性が高い • 書き替え耐性高い：1000万回以上 • ドライブが複雑(偏光光学系と磁気系が必要） • MSR, MAMMOSなど新現象の有効利用可能

光磁気ディスク

–記録：

熱磁気(キュリー温度）記録

–再生：

磁気光学効果

–

MO: 3.5”

128→230→650→1.3G→2.3G

–

MD(6cm)

–

iD-Photo, Canon-Panasonic(5cm)

光磁気記録の歴史

• 1962 Conger,Tomlinson 光磁気メモリを提案

• 1967 Mee Fan ビームアドレス方式の光磁気記録の提案

• 1971 Argard (Honeywel) MnBi薄膜を媒体としたMOディスクを発表

• 1972 Suits(IBM) EuO薄膜を利用したMOディスクを試作 • 1973 Chaudhari(IBM) アモルファスGdCo薄膜に熱磁気記録（補償 温度記録） • 1976 Sakurai(阪大) アモルファスTbFe薄膜にキュリー温度記録 • 1980 Imamura(KDD) TbFe系薄膜を利用したMOディスクを発表 • 1981 Togami(NHK) GdCo系薄膜MOディスクにTV動画像を記録 • 1988 各社 5”MOディスク(両面650MB)発売開始 • 1889 各社 3.3 ”MOディスク(片面128MB)発売開始 • 1991 Aratani(Sony) MSR(磁気誘起超解像）を発表 • 1992 Sony MD(ミニディスク）を商品化 • 1997 Sanyo他 ASMO(5”片面6GB：L/G, MFM/MSR)規格発表 • 1998 Fujitsu他 GIGAMO(3.5”片面1.3GB)発売開始 • 2001 Sanyo ディジカメ用iD-Photo(2”, 780MB)発売 • 2002 Canon-松下 ハンディカメラ用2“3GBディスク発表

光磁気媒体

• MOディスクの構造 ポリカーボネート基板 窒化珪素保護膜・ （MOエンハンス メント膜を兼ねる） MO記録膜 (アモルファスTbFeCo) Al反射層 land groove 樹脂

• レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱 • キュリー温度以上になると磁化を消失 • 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録

光磁気記録

_{情報の記録(1)}

外部磁界 光磁気記録媒体 温度 光スポット Tc コイル M Tc

• 補償温度(Tcomp)の利用 • アモルファスTbFeCoは 一種のフェリ磁性体なので 補償温度_{Tcompが存在} • TcompでHc最大: – 記録磁区安定

光磁気記録

_{情報の記録(2)}

T M _Tb FeCo Tcomp Hc Mtotal 室温 Tc Tb Fe,Co

Wavelength (nm)

Polar Kerr rotation (min)

アモルファスRT膜の磁気光学効果

5 4 3 2

Photon Energy (eV) 0 -0.2 -0.4 -0.6 Polar Kerr rotation (deg) Wavelength (nm) 300 400 500 600 700 希土類の寄与：短波長領域 Cheoらによる

光磁気記録

情報の読み出し

• 磁化に応じた偏光の回転を検出し電気に変換 D1 D2 + -LD 偏光ビーム スプリッタ S N N S N S

２種類の記録方式

• 光強度変調(LIM)：現行のMOディスク – 電気信号で光を変調 – 磁界は一定 – ビット形状は長円形 • 磁界変調(MFM)：現行MD, iD-Photo – 電気信号で磁界を変調 – 光強度は一定 – ビット形状は矢羽形

記録ビットの形状

(a)

• 解像度は光の回折限界から決まる – d=0.6λ/NA (ここにNA=n sinα) – 波長以下のビットは分解しない • 記録層と再生層を分離 • 読み出し時のレーザの強度分布を利用 – ある温度を超えた部分のみを再生層に転写する

MSR

(磁気誘起超解像)

α d

MAMMOS

(magnetic amplification MO system)

光磁気記録をもたらしたもの

• 長期にわたる研究の積み重ね • アモルファス希土類遷移金属膜の発見 • 半導体レーザの進歩・短波長化・低価格化 • 光エレクトロニクス技術（例えばサーボ技術） • 信号処理技術の進歩(例えばMDの圧縮技術) • パソコンの大容量化による市場のニーズ • 厳しい競争(HDD, ZIP, CD-R, CDRW, DVD-RW)

磁気光学研究の最近の展開

近接場磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学効果と磁性体ナノ構造 X線MCDによる磁気光学イメージング

近接場磁気光学顕微鏡

（MO-SNOM)

• 近接場とは

• 近接場顕微鏡（SNOM)の歴史 • SNOMによる磁気光学測定

近接場とは

臨界角 θ=θ_c 媒質 2 媒質 1 θ_i >θ_c θ_i <θ_c エバネセント波 全反射とエバネセント波 d 伝搬光 エバネセント 場 散乱光 微小物体の周りのエバネセント場に置かれ たもう１つの微小物体による散乱光

SNOMの歴史

• 近接場の概念：電磁気学において古くから知られる

– Hertz：Dipoleの近くの電場は1/rではなく1/r2_{:かなり強い} – Sommerfeld: Dipole antenna近傍の近接場を導出

• 1928 Synge(英):近接場顕微鏡のアイデアを提案 • 1972 Ash:マイクロ波で波長の1/60の解像度達成 • 1982 Pohl: SNOMの原形 • 1985 Pohl: 20nmの分解能達成 • 1991 Betzig:マイクロピペットを使って実用性の高い SNOMを開発；光磁気記録に成功

プローブの高さ制御

Sample surface Fiber probe Quartz oscillator Piezoelectrically-driven xyz-stage Piezoelectrically-driven xyz-stage bimorph LD Pho_{to d} iode Shear force(剪断力)方式 カンチレバー方式

SNOMによる磁気光学測定

• 1991 Betzig：光ファイバーをテーパー状に細 めたプローブ で光磁気記録・再生に成功 • 1992 Betzig：超微細加工した金属細線リング の偏光像 • 多くの研究あるが、高解像度のMO-SNOM像 は得られていない • 偏光をファイバを通して伝えるのが困難

Kottlerらの試み

図6 (a) CD-SNOMシステムと(b)Pt/Coの磁区像 (Kottler25₎

(a)

筆者らの方法

• SNOM-AFMモードを利用 • はじめ：クロスニコル法→コントラスト比とれない • 解決法：PEMによる偏光変調 • ファイバー特性の測定とよいプローブの選別 • 偏光伝達特性の補償 • 約0.1μmの解像度を達成

コントロール ユニット (SPI 3700) 音響光学 変調器 アルゴン レーザ 信号発生器 ロックインアンプ コンピュータ XYZ スキャナ バイモルフ フィルタ 試料 フォトダイオード 光電子増倍管 半導体レーザ 光ファイバプローブ 検光子 偏光子 ダイクロイック ミラー

SNOMのブロック図

PEM _{S A D} f(Hz)

η_F , θ_F

δ=δ₀ sin(2πft)

Wave plate

Retardation Δshould be set

Ατ Δ=0 or Δ =π/4 Compensation of Fiber Polarization

{ } { } { F F } F F J R I f I J R I f I J R I I θ Δ α η Δ α α δ θ Δ η Δ δ α δ ⋅ − ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + cos 2 cos sin 2 cos 2 sin ) 2 1 ( ) ( 4 ~ ) 2 ( sin cos ) ( 4 ~ ) ( 2 sin ) ( 1 ~ ) 0 ( 0 2 0 0 1 0 0 0 0

Aperture Diameter Evanescent Wave Al-coating light 50-100 nm Transmitting Wave

[

-

z

]

exp

0

⋅

=

I

α

I

E Near-Field Far Field Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Field Optics

図３

AFM スキャナ 光電子増倍管 プリアンプ アセンブリ

SNOMアセンブリー

距離 距離 [nm]_[nm] 0 0 ₄₀₀₄₀₀ 20 20 80 80 100 100 A A A A’’ 50nm 50nm 規格化光強度 規格化光強度 [%] [%] トポ像 SNOM像

Cr市松模様のトポ像とSNOM像

DyIG膜の記録マークの偏光像 (波長488nm)

拡大図

Track pitch Mark length Pt (8Å) Glass SiN 150 Å Co(3Å) Pt/Co (30Å)

• Structure SiN/Pt(30Å)/[Pt(8Å)/Co(3Å)]₁₃ on glass

• Film thickness 150Å

• Recording System: Light pulse strobed MFM recording • Track pitch : 1.6μm

• Mark Length： 0.1～ 6μm

• η_F ，θ_F ： 0.47°,0.74°

ガラス基板 ガラス基板 SiN Pt 30 A Co 3A Pt 8A Pt 8A Co 3A 15nm 1.2 mm

測定したPt/Co MOディスクの構造

グル ー ブ グル ー ブ 記録マーク

磁界変調記録の矢羽型記録マーク

Topography

Optical image

MO image

Images obtained by MO-SNOM (crossed polarizer)

偏光子 レンズ プローブ 検光子 光電子 増倍管 PEM (f Hz) 1/2波長板 AOM 連続モード ロックイン アンプ アルゴンレーザ (488nm)

PEMを使ったSNOMシステム

トポグラフ像 磁気光学像

Pt/Coディスクの記録マークの

トポ像と磁気光学像

Intensity of light

Intensity of linearly polarized light along x axis Intensity of linearly polarized

light oriented by 45 degrees Intensity of circularly polarized light Degree of polarization

[

]

0 3 2 1 3 2 2 2 1 2 2 0 S S S S P E E E E i S E E E E S E E S E E S E E y x y x y x y x y x y x y x + + = ⋅ − ⋅ − = ⋅ + ⋅ = − = + = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ∗ ∗ ∗ ∗

E Electric field vector of light

0 1 2 3 4 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 S₁(θ ) S₂(θ ) S₃(θ ) p(θ ) Stokes param eters , degree of polarization θ [rad]

補償前のファイバプローブの

ストークスパラメータ

0 1 2 3 4 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 S₁(θ ) S₂(θ ) S₃(θ ) P(θ ) Stokes param eters , degree of polarization θ [rad]

補償後のプローブの

ストークスパラメータ

(a) 1f component (Δ=0) (b) 2f component (Δ=0)

(c) 1f component (Δ=π/2) (d) 2f component (Δ=π/2)

0 1 2 3 4 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 S₁(θ ) S₂(θ ) S₃(θ ) p(θ ) Stok es p aram eters, de gree of pol arization θ [rad] 0 1 2 3 4 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 S₁(θ ) S₂(θ ) S₃(θ ) P(θ ) S tokes param eters , de gree of polariz ation θ [rad] Before Compensation After Compensation 0 1.0 2.0 3.0 4.0 θ [rad] 0 1.0 2.0 3.0 4.0 θ [rad] Stokes parameters

& degree of Polarization

1.0 0.5 0 -0.5 -1.0 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0 Stokes parameters

& degree of Polarization

1f component at Δ=0 2f component at Δ=0 1f component at Δ=π/2 2f component at Δ= π/2 η_F θ_F θ_F η_F Compensated MO Image

Topografic and Magneto-Optical Images

of 0.2μm Mark

MO image Topography

Diode laser 4-divided photodiodes Ar ion laser AFM Controller 45° Photo multiplier CCD camera AO Modulator Lock-in Amplifier Objective lens Ocular lens Half mirror Bimorph Filter

Optical fiber probe xyz scanner Topography and Optical Imaging 0° Sample Photo coupler

反射モードSNOM装置構成図

凹面鏡を用いた反射SNOM

凹面鏡を集光に用いた反射型SNOM の構成図

非線形磁気光学効果

• 非線形光学効果とは 第２高調波光に対する磁気光学効果 • 非線形カー回転とは？ P偏光が入射したとき、SH光にはP成分とS成 分が生じ、入射面から回転する。 • 中心対称のある物質(Fe, Auなど）では、電気 双極子によるSHGは起きない。表面界面に敏 感

Nonlinear Magneto-optics

• What is the nonlinear magneto-optical effect? Magnetization-induced nonlinear optics

• What is the nonlinear Kerr rotation?

When P-polarized primary light is incident both P- and S-polarized SH light emits: which leads to rotation of E vector from the plane of incidence.

• In centrosymmetric materials such as Fe and Au no SHG occurs due to cancellation of P and –P.

0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 DATA

Azimuthal angle dependence of SHG

from Si and GaAs wafer

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Si wafer (001) centrosymmetric GaAs wafer (001) Non-centrosymmetric

Theoretical prediction and experimental

verification

• Nonlinear magneto-optical Kerr rotation

larger than linear rotaion was theoretically

predicted

1)

, and was experimentally

proved

2,3)

.

1) W. Hübner and K.-H. Bennemann: Phys. Rev. B40, 5973 (1989) 2) Th. Rasing et al.: J. Appl. Phys. 79, 6181 (1996)

•Application of MSHG

Sensitive to Evaluation of the break of Multilayers

symmetry at surface Imaging of domains

・This effect cannot be expected to be applied to some practical memory devices but is thought to be useful for characterization of surfaces and interfaces of materials.

Surface and interface sensitivity of

MSHG

+ − + = E E t E t P ε χ ε χ ω ε χ cos2ω 2 sin 2 2 0 ) 2 ( 0 0 ) 1 ( 0 0 ) 2 ( 0 ) 2 (

・ For strong incident laser field E(ω) :

Second harmonic generation (SHG)

j ij i E P(1) = χ (1)ε₀ ) ( (1) (2) (3) 0 + + + = _{ij j ijk j k ijkl j k l} i E E E E E E P ε χ χ χ

・ Nonlinear polarization P(2) _{for incident field of E=E}

0 sinωt

Third rank tensor is not allowed in

centrosymmetric materials.

・ For weak incident laser field E(ω) : _linear

response

Nonlinear response

( ) ( ) { ( ) } ( ) { ( ) } ( ) P ( ) (i t) P ( ) (i t) c c P t i P t i P t P i i i i i i . 2 exp 2 2 exp 2 0 exp exp 2 2 ) 2 ( 1 1 ) 2 ( ) 2 ( 2 1 2 1 ) 2 ( 2 1 2 1 ) 2 ( ) 2 ( + + + + − − + + + = ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω

(

) (

) (

)

P( )2 i( )t =

∫

dτ τ χ₁d _{2 ijk}( )2 τ τ₁, ₂ E _j t − τ₁ E_k t − τ ₂ SHG process Light rectification parametric process

( )

{

(

)

(

)

}

E _j t = E_{1 j} exp iω₁t + E_{2 j} exp iω ₂t + c c. . / 2

Nonlinear polarization of 2nd order

( ) ( ) ( ) ( ) P_i( )2 ω₁ +ω₂ = χ_ijk( )2 ω₁ +ω ω ω₂: ₁, ₂ E_j ω₁ E_k ω₂ ( ) ( ) ( ) ( ) P_i( )2 ω₁ −ω₂ = χ_ijk( )2 ω₁ −ω ω ω₂: ₁, ₂ E_j ω₁ E_k ω₂ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) P_i( )2 0 = 1 2 χ_ijk( )2 0: ,ω ω− E_j ω E_k ω _{( ω = ω} 1 , ω 2 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) P_i( )2 2ω = 1 2 χ_ijk( )2 2ω ω ω: , E_j ω E_k ω _{( ω = ω} 1 , ω 2 )

Centrosymmetric materials: all the χijk(2) components vanish. (from symmetry operations)

Surfaces and interfaces: symmetry breaks, leading to appreciable amount of nonlinear magneto-optical effect even in the

centrosymmetric materials

( ) ( ) ( ) rot rot E c t E ω ε ω ∂ ∂ ω + ~ ₂ 2₂ = 0 ( ) ⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = xx yz yz xx xx ε ε ε ε ε ω ε 0 0 0 0 ~ ( ) _{( )}( )

tan sin cos

cos cos cos cos (1) (1) (1) ₍₁₎ (1) (1) Ψ_K i i i i i i ω χ χ θ θ θ χ θ χ θ χ θ = − ⋅ + ⋅ + + 1 0 2 ₀ 0 0 2 2 2 χ₁(1)=ε yz , χ0(1)=εxx -1=N2-1 Ψ_K =φ_K +iη_K （複素カー回転角）

Wave equation of linear magneto-

optical effect

( )

( )

( )

rot rot E c t E c t P 2 ₂ 2 1 2 2 2 0 2 2 2 2 ω ε ∂ ∂ ω ε ∂ ∂ ω + ~ = − ( )

( )

(

)

( )

( )

P_i( )2 2ω = χ _ijk( )2 2ω ω ω: , E _j( )1 ω ⋅ E _k ( )1 ω

Source term does not depend on optical constants of

materials, leading to special solution associated with the second order susceptibility.

Wave equation of nonlinear magneto-

optics.

Susceptibility Tensor

⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 , 2 zzz zxx zxx xxz xxz D χ χ χ χ χ χ

( )

( )

E P c F F F r s ( ) ( ) sin 2 2 0 2 1 3 2 2 2 ± ± ± ± ± = − ω ω θ ε ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) _{( )} ( )_{( )} ( ) _{( )} ( )_{( )} ( )_{( )}

[

( )

]

( ) ( ) ( )

[

]

( ) F S S S S F S i i i i i i i 1 2 1 0 1 1 2 1 0 1 0 1 0 1 1 2 1 2 2 1 1 1 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± = + + + + − − + + + − ⎡ ⎣ ⎢ ⎢ ⎤ ⎦ ⎥ ⎥ = + + + sin sin ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) θ χ ω χ ω θ θ χ ω χ ω χ ω χ ω χ ω χ ω χ ω θ θ θ χ ω θ

[

( )

]

( ) ( )

[

]

χ ω θ χ ω θ ( ) ( ) cos 1 2 3 1 1 2 ± ± ± _{= +} ± S F i i

( ) ( ) ( ) ( ) _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + − = Ψ +_{+ +}+ ₋− −_{− −}− −₋ +₊ +₊ i higher order F F F F F F F F F F F F i even odd K ₍₂₎ ) 2 ( 3 2 1 2 3 2 1 2 3 2 1 2 3 2 1 2 ) 2 ( tan χ χ χ χ χ χ

Different from the linear case

χ(2)odd_/χ(2)even _contributes。

This term is zero in centrosymmetric materials

And takes a finite value at surfaces

Surface sensitivity useful for surface magnetism studies！

Linear：

factor reduces the magnitude

Also χ_xy is order of

magnitude smaller that χ_xx

Nonlinear：no such factor exists

Also χodd and χeven are of

the same order 。

1 cos2θ χ_i + ₀( )1

Difference between linear and nonlinear Kerr rotation

(

)

χ ω λ ω σ ε ε ω σ σ σ xzz so k q k q M k q x k k z k q k q z k q F ( ) , , , ; ~ 2 2 2 2 2 2 + + + + − − ∑ + SHG 3 photon proicess

(

) ( )

( )

( ) F f k q f k q f f k q k q k q k k q k σ σ σ σ σ ε ε ε ε ω ε ε ε ε ω = − − − − − − − + + + + + + 2 2 , , , , Here |k q_// l >→|k+q_// l‘> |k+q_// l’>→|k+2q_// l" > |kl> →|k+2q//l”> ω ω _2ω Intermediate state

Ground state Excited state

Illustration of microscopic process

of MSHG

s d s d s d s d s→s d→d d→s s→s

Nonlinear Kerr rotation of Fe/Cu

Nonlinaer Kerr effect

Cu cover layer-thickness

dependence of Co/Cu

Cuの層厚 SH信号

LD pump SHG laser lens Mirror Chopper Lens Analyzer Filter PMT Ti: sapphire laser Mirror Filter polarizer Berek compensator Sample Stage controller Electromagnet

Photon counter Computer

λ=532nm λ=810nm Pulse=150fs P=600mW rep80MHz Photon counting

非線形磁気光学効果測定系

P-polari_{zed or} S-polari_{zed ligh}

t ω (810nm) 2ω (405nm) Analyzer Filter ω (810nm) Pole piece Rotating analyzer 試料回転 Sample stage 45° Sample

MSHG測定系配置

磁場：面内

B Electromagnet P S P S sample Rotating stage 磁場：

面直

極カー配置

4.079Å fcc-Au (001) 2.867Å 4.054Å bcc-Fe (001) Au Fe L1₀ Fe seed layer Au buffer layer Fe(xML) Au(xML) 1 2 MgO (100) N [Fe(1ML)/Au(1ML)]

Schematic structure for the Fe/Au superlattice

Atomic arrangement in a unit cell of Fe(1ML)/Au(1ML) with a L1₀ structure

Fe seed MgO(100) Au buffer Fe(xML) Au(xML) { { { { 1 2 3 N Fe Au 1 x=3.75ML 2 0.25 0.5 0 0.75 1

Superlattices ：〔Fe(xML)/Au(xML)〕_N with

integer and non-integer layer thickness

Magneto-optical Kerr spectra in Fe/Au superlattices

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(3.5ML)/Au(3.5ML)] superlattice (Sin)

Nonlinear Kerr rotation & ellipticity θ_K(2)₌ 17.2 °

η_Κ(2)_=３°

The curves show a shift for two

opposite directions of magnetic field

0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 3 k O e - 3 k O e

Analyzer angle (deg.)

SHG intensity (counts/10sec.) ×104 2θ_K(2)=34.3° S-polarized light ω(810nm) 2ω (405nm) Analyzer 45° Electromagnet Rotating Analyzer Filter ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + = − − ) ( ) ( tan ) ( ) ( tan 2 1 1 1 ) 2 ( MIN MAX MIN MAX K I I I I η

MSHGの検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg.) Analyzer angle (deg.)

SHG intensity (counts/10sec.)

(a) Fe(1ML)/Au(1ML) Pin (b) Fe(1.75ML)/Au(1.75ML) Sin

Δφ = 2.74° Δφ = 31.1° 0 30 60 90 120 150 180 0 200000 400000 600000 800000 1000000 +H -H Result -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

Fe/Auの非線形カー回転角

SHG intensity (counts/10sec.)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(3.75ML)/Au(3.75ML)] superlattice. （P_in P_out）

(a) Linear (810nm) (b) SHG (405nm) ・ Linear optical response (λ=810nm)

The isotropic response for the azimuthal angle ・ Nonlinear optical response (λ=405nm)

The 4-fold symmetry pattern

Azimuthal pattern show 45°-rotation by reversing the magnetic field

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0

SHG intensity (counts/10sec.) _{SHG intensity (counts/10sec.)}

45° P-polarized light ω (810nm) Electromagnet 2ω (405nm) Analyzer _45° Rotation of sample Filter 線形 非線 形

MSHGの試料方位依存性

２次の非線形分極

( )

( )

( )

( )

Q ijkl L k j D ijkL k j D ijk k l j Q ijkl k j D ijk i k l j E E M E E E E E E M E E M M P ∇ + Χ + = ∇ + = ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 ( 0 χ χ χ χ Surface nonmagnetic (dipole term) Bulk nonmagnetic (quadrupole) Surface Magnetic (dipole term)

0 100 200 300 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 100 200 300 ASP_{=460, B=26, C=-88} (c) Sin-Pout ×103 SHG intensity (counts/10sec.) 0 10 20 30 40 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 10 20 30 40 ASS_{=100, B=26, C=-88} (d) Sin-Sout ×103 0 500 1000 1500 2000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 500 1000 1500 2000 APP_{=1310, B=26, C=-88} (a) Pin-Pout ×103 SHG intensity (counts/10sec.) 0 50 100 150 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 50 100 150 APS_{=-300, B=26, C=-88} (b) Pin-Sout ×103 点：実験 実線：計算

MSHG方位角依存性のシミュレーション

非線形磁気光学効果による

ナノサイズ磁性体埋め込み構造

の観察

EB-patterning process

〔１〕_{Dot size}

100nm×300nm rectangular dot with 300nm-

spacing

100nm square dot with 300nm-spacing

〔２〕_{Patterned area: 3mm×3mm}

〔３〕_{EB-resist thickness: 300 nm}

・・・by spin-coating with 5000 rpm rotation

〔４〕Baking 160℃ 20min Spin coating of resist EB exposure Si substrate Development

Etching Resist removal 〔１〕Etching gas: CF₄

〔２〕Vacuum 3.0×10-3_Pa

〔３〕Gas pressure 9.2Pa 〔４〕RF power: 400W

〔５〕Etching rate: 0.1μm/min 300nm

100nm

Silicon surface after etching

Embedding of permalloy film by electron beam deposition

〔１〕material: permalloy（Ni₈₀ Fe₂₀）

〔２〕Vacuum 3.0×10-6_Torr

〔３〕Accelerating voltage 4kV 〔４〕Deposition rate 1.0Å/sec

〔１〕Polishing chemicals: Si wafer grain-size～20nm

〔２〕pH 11

〔３〕polishing rate: 60nm/min flatting

Embedding of permalloy

1μm square dot array

AFM

PinPout SinPout SinSout PinSout 0 40000 80000 120000 160000 200000 240000 280000 320000 360000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 40000 80000 120000 160000 200000 240000 280000 320000 360000 +H -H 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 +H -H 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 +H -H 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 +H -H Londitudinal Azimuthal angle dependence of

MSHG from the square dot array

SHG 強度 (counts/10sec) SHG 強度 (counts/10sec) SHG 強度 (counts/10sec) SHG 強度 (counts/10sec)

PinPout Longitudinal Kerr configuration 0 40000 80000 120000 160000 200000 240000 280000 320000 360000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 40000 80000 120000 160000 200000 240000 280000 320000 360000 +H -H (counts/10sec) H=±4kOe

Azimuthal angle dependence of

MSHG from 1μm square dot array

Nonlinear Kerr rotation 6.00°

Nonlinear Kerr rotation

In 1μm square dots

Longitudinal

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 1x105 2x105 3x105 4x105 5x105 6x105 +H _-H Y Ax is T it le X axis title SHG カウント (counts/10sec) Analyzer angle(deg) -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0.0 5.0x104 1.0x105 1.5x105 2.0x105 2.5x105 3.0x105 3.5x105 +H -H Y Axis T it le X axis title SHG カウント (counts/10sec) Analyzer angle(deg) 〈Pin〉 _〈Sin〉

3μm 0.6μm

300nm×100nmsquare dot, 300 nm space

SEM observation

100nm

Dot depth?

Cross sectional SEM observation

MFM image of 300nm x 100nm dot

with a low-moment probe tip

300nm x 100nm dot （wide scan）

with a low-moment probe tip

PinPout SinPout SinSout PinSout 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000 +H -H 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 5000 10000 15000 20000 25000 +H -H 0 100000 200000 300000 400000 500000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 100000 200000 300000 400000 500000 +H -H 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 +H -H longitudinal Azimuthal angle dependence of

rectangular dots SHG 強度 (counts/10sec) SHG 強度 (counts/10sec) SHG 強度 (counts/10sec) SHG 強度 (counts/10sec)

0 1x105 2x105 3x105 4x105 5x105 6x105 7x105 8x105 9x105 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 1x105 2x105 3x105 4x105 5x105 6x105 7x105 8x105 9x105 +H -H PinPout (counts/10sec) H=±6kOe

Azimuthal angle dependence of MSHG

from 300nm x 100nm rectangular dot array

PinPout SinPout SinSout PinSout 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 +H -H 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 +H -H 0 100000 200000 300000 400000 500000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 100000 200000 300000 400000 500000 +H -H 0 20000 40000 60000 80000 100000 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 20000 40000 60000 80000 100000 +H -H

Azimuthal angle dependence

of MSHG in circular dots _longitudinal

SHG 強度 (counts/10sec) SHG 強度 (counts/10sec) SHG 強度 (counts/10sec) SHG 強度 (counts/10sec)

非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図 L P _F 1 Objective lens Sample F₂ A CCD

2p_1/2 2p_3/2 3d (12) (6) (2) (1) (3) (6) (6) (3) (3) (14) (a) (b) +1/2 -1/2 +3/2 +1/2 -1/2 -3/2 m_j m_j +2 +1 0 -1 -2 m_d

Occupation of minority 3d band

(b)

XMCD顕微鏡