大学院物理システム工学専攻大学院物理システム工学専攻 20042004 年度年度固体材料物性第固体材料物性第 1313 回回

－磁気光学効果の量子論－－磁気光学効果の量子論－

佐藤勝昭佐藤勝昭ナノ未来科学研究拠点ナノ未来科学研究拠点

磁気光学効果の電子論磁気光学効果の電子論

古典電子論古典電子論

B

t

uEu

u

dt

udm

d

dqm

dt

dm 2

02

2

)00( BB

tiexp 0EE )exp(0 tiuu

BuEuuu iqmimm 20

2

z

y

qEzim

qEyimqBx

qEqBm

20

2

20

2

x20

2

i

yixi

電気感受率と誘電率電気感受率と誘電率

20

20

2

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

1

im

nq

i

i

m

nq

i

i

m

nq

zz

c

cxy

c

xx

mqBc

サイクロトロン角振動数

20

20

2

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

11

1

im

nq

i

i

m

nq

i

i

m

nq

zz

c

cxy

c

xx

磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式

0

11

20

20

2

xy

zzxxim

nq

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

)()(

)(1)(

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式

0

)(

11

0

2

xy

zzxx im

nq

)()(

11)(

220

2

220

2

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がかかっており束縛項がない場合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 マグネトプラズマ共鳴とホール効果

i

i

m

nq

im

nq

i

ii

m

nq

zz

c

cxy

cxx

2

22

2

22

2

0

2

22

2

20

22

2

1

1)(

m

nq

m

nq

m

nq

zz

c

cxy

ccxx

０

BRHxy

zzxx

01

1~~

磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合

2

2

22

2

22

2

1

1

pzz

c

cpxy

c

pxx

i

c

pc

c

pxyxx iN

2

22

22 11

FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか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比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　と仮定 と仮定 　　　　　　 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要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スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

22220

20

2

c

cxy

i

i

m

nq

eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010

磁気光学効果の量子論

電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁気光学効果の電子論磁気光学効果の電子論

古典電子論古典電子論

B

t

uEu

u

dt

udm

d

dqm

dt

dm 2

02

2

)00( BB

tiexp 0EE )exp(0 tiuu

BuEuuu iqmimm 20

2

z

y

qEzim

qEyimqBx

qEqBm

20

2

20

2

x20

2

i

yixi

電気感受率と誘電率電気感受率と誘電率

20

20

2

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

1

im

nq

i

i

m

nq

i

i

m

nq

zz

c

cxy

c

xx

mqBc

サイクロトロン角振動数

20

20

2

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

11

1

im

nq

i

i

m

nq

i

i

m

nq

zz

c

cxy

c

xx

磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式

0

11

20

20

2

xy

zzxxim

nq

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

)()(

)(1)(

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式

0

)(

11

0

2

xy

zzxx im

nq

)()(

11)(

220

2

220

2

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がかかっており束縛項がない場合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 マグネトプラズマ共鳴とホール効果

i

i

m

nq

im

nq

i

ii

m

nq

zz

c

cxy

cxx

2

22

2

22

2

0

2

22

2

20

22

2

1

1)(

m

nq

m

nq

m

nq

zz

c

cxy

ccxx

０

BRHxy

zzxx

01

1~~

磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合

2

2

22

2

22

2

1

1

pzz

c

cpxy

c

pxx

i

c

pc

c

pxyxx iN

2

22

22 11

FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか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比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　と仮定 と仮定 　　　　　　 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要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スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

22220

20

2

c

cxy

i

i

m

nq

eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010

磁気光学効果の量子論

電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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古典電子論古典電子論

B

t

uEu

u

dt

udm

d

dqm

dt

dm 2

02

2

)00( BB

tiexp 0EE )exp(0 tiuu

BuEuuu iqmimm 20

2

z

y

qEzim

qEyimqBx

qEqBm

20

2

20

2

x20

2

i

yixi

電気感受率と誘電率電気感受率と誘電率

20

20

2

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

1

im

nq

i

i

m

nq

i

i

m

nq

zz

c

cxy

c

xx

mqBc

サイクロトロン角振動数

20

20

2

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

11

1

im

nq

i

i

m

nq

i

i

m

nq

zz

c

cxy

c

xx

磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式

0

11

20

20

2

xy

zzxxim

nq

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

)()(

)(1)(

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式

0

)(

11

0

2

xy

zzxx im

nq

)()(

11)(

220

2

220

2

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がかかっており束縛項がない場合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 マグネトプラズマ共鳴とホール効果

i

i

m

nq

im

nq

i

ii

m

nq

zz

c

cxy

cxx

2

22

2

22

2

0

2

22

2

20

22

2

1

1)(

m

nq

m

nq

m

nq

zz

c

cxy

ccxx

０

BRHxy

zzxx

01

1~~

磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合

2

2

22

2

22

2

1

1

pzz

c

cpxy

c

pxx

i

c

pc

c

pxyxx iN

2

22

22 11

FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか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比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　と仮定 と仮定 　　　　　　 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要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スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

22220

20

2

c

cxy

i

i

m

nq

eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010

磁気光学効果の量子論

電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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電気感受率と誘電率電気感受率と誘電率

20

20

2

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

1

im

nq

i

i

m

nq

i

i

m

nq

zz

c

cxy

c

xx

mqBc

サイクロトロン角振動数

20

20

2

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

11

1

im

nq

i

i

m

nq

i

i

m

nq

zz

c

cxy

c

xx

磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式

0

11

20

20

2

xy

zzxxim

nq

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

)()(

)(1)(

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式

0

)(

11

0

2

xy

zzxx im

nq

)()(

11)(

220

2

220

2

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がかかっており束縛項がない場合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 マグネトプラズマ共鳴とホール効果

i

i

m

nq

im

nq

i

ii

m

nq

zz

c

cxy

cxx

2

22

2

22

2

0

2

22

2

20

22

2

1

1)(

m

nq

m

nq

m

nq

zz

c

cxy

ccxx

０

BRHxy

zzxx

01

1~~

磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合

2

2

22

2

22

2

1

1

pzz

c

cpxy

c

pxx

i

c

pc

c

pxyxx iN

2

22

22 11

FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか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比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　と仮定 と仮定 　　　　　　 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要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スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

22220

20

2

c

cxy

i

i

m

nq

eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010

磁気光学効果の量子論

電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁界ゼロの場合ローレンツの式磁界ゼロの場合ローレンツの式

0

11

20

20

2

xy

zzxxim

nq

22220

20

2

22220

2

20

2

0

2

)()(

)(1)(

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式

0

)(

11

0

2

xy

zzxx im

nq

)()(

11)(

220

2

220

2

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がかかっており束縛項がない場合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 マグネトプラズマ共鳴とホール効果

i

i

m

nq

im

nq

i

ii

m

nq

zz

c

cxy

cxx

2

22

2

22

2

0

2

22

2

20

22

2

1

1)(

m

nq

m

nq

m

nq

zz

c

cxy

ccxx

０

BRHxy

zzxx

01

1~~

磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合

2

2

22

2

22

2

1

1

pzz

c

cpxy

c

pxx

i

c

pc

c

pxyxx iN

2

22

22 11

FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか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比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　と仮定 と仮定 　　　　　　 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要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スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

22220

20

2

c

cxy

i

i

m

nq

eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010

磁気光学効果の量子論

電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁界がなく束縛項もない場合磁界がなく束縛項もない場合ドルーデの式ドルーデの式

0

)(

11

0

2

xy

zzxx im

nq

)()(

11)(

220

2

220

2

m

nq

m

nq

xx

xx

磁界がかかっており束縛項がない場合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 マグネトプラズマ共鳴とホール効果

i

i

m

nq

im

nq

i

ii

m

nq

zz

c

cxy

cxx

2

22

2

22

2

0

2

22

2

20

22

2

1

1)(

m

nq

m

nq

m

nq

zz

c

cxy

ccxx

０

BRHxy

zzxx

01

1~~

磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合

2

2

22

2

22

2

1

1

pzz

c

cpxy

c

pxx

i

c

pc

c

pxyxx iN

2

22

22 11

FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか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比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　と仮定 と仮定 　　　　　　 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要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スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

22220

20

2

c

cxy

i

i

m

nq

eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010

磁気光学効果の量子論

電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁界がかかっており束縛項がない場合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 マグネトプラズマ共鳴とホール効果

i

i

m

nq

im

nq

i

ii

m

nq

zz

c

cxy

cxx

2

22

2

22

2

0

2

22

2

20

22

2

1

1)(

m

nq

m

nq

m

nq

zz

c

cxy

ccxx

０

BRHxy

zzxx

01

1~~

磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合

2

2

22

2

22

2

1

1

pzz

c

cpxy

c

pxx

i

c

pc

c

pxyxx iN

2

22

22 11

FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか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比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　と仮定 と仮定 　　　　　　 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要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スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

22220

20

2

c

cxy

i

i

m

nq

eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010

磁気光学効果の量子論

電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁界がかかっていて束縛がなく磁界がかかっていて束縛がなく散乱のない場合散乱のない場合

2

2

22

2

22

2

1

1

pzz

c

cpxy

c

pxx

i

c

pc

c

pxyxx iN

2

22

22 11

FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか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比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　と仮定 と仮定 　　　　　　 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要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スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

22220

20

2

c

cxy

i

i

m

nq

eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010

磁気光学効果の量子論

電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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FeFe の磁気光学効果はの磁気光学効果は古典電子論で説明できるか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比誘電率の非対角成分の大きさ最大 55 の程度 の程度 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　キャリア密度　　　　　　　　　　　　　　　と仮定 と仮定 　　　　　　 BB=3000T=3000T という非現実的な磁界が必要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スピン軌道相互作用によって初めて説明可能

22220

20

2

c

cxy

i

i

m

nq

eV20 eV10-33 mcmn 2822 1010

磁気光学効果の量子論

電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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電気分極と摂動論 電気分極と摂動論

電気分極電気分極とは「電界によって正負の電荷がずれとは「電界によって正負の電荷がずれることにより誘起されたることにより誘起された電気双極子電気双極子の単位体積にの単位体積における総和」 おける総和」

「電界の効果」を電界を与える前の系「電界の効果」を電界を与える前の系 (( 無摂動無摂動系系 )) のハミルトニアンに対する「のハミルトニアンに対する「摂動摂動」として扱う」として扱う

「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系の固有関数」の固有関数」の 11 次結合として展開この波動関数次結合として展開この波動関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算 を用いて「電気双極子の期待値」を計算

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (1)(1)

無摂動系の基底状態の波動関数を無摂動系の基底状態の波動関数を 00(r)(r) で表しで表し jj 番目の励起状態の波動関数を番目の励起状態の波動関数を jj(r) (r) で表すで表す 無摂動系のシュレーディンガー方程式無摂動系のシュレーディンガー方程式

H H 0000((rr)) = =0000((rr)) H H 00jj((rr)) = = jj EEjj((rr))

光の電界光の電界 EE((tt))==EE00exp(-exp(-iitt)+cc )+cc (cc=(cc= 共役複素数共役複素数 ))

摂動のハミルトニアン摂動のハミルトニアンHrsquo=Hrsquo=eerr EE((tt))

(422)

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (2)(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式

tHHtHtt

i r r r

0

この固有関数を無摂動系のこの固有関数を無摂動系の (( 時間を含まな時間を含まないい )) 固有関数のセットで展開 固有関数のセットで展開

j

jjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

この式を式この式を式 (423)(423) に代入し無摂動系の波動に代入し無摂動系の波動関数について成立する式関数について成立する式 (422)(422) を代入すると を代入すると

(423)

(424)

00

)()exp()()exp()(exp)r(

)(

jjjj

jjj

j rHtitctirHtidt

tdci

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (3)(3)

左から左から jj((rr)) をかけてをかけて rr について積分するとについて積分すると

00

)()exp()(

)exp()(exp)r()(

jjjj

jjj

j

rHtitc

tirHtidt

tdci

(425) titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

)()(0 0 rrrdrerie j ここで また 00 jj

また励起状態間の遷移行列 jrie は無視した

時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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時間を含む摂動論時間を含む摂動論 (4)(4)

式式 (425(425)) を積分することにより式を積分することにより式 (424)(424) の展開係数の展開係数 cc

jj((tt)) が求められる が求められる

titjetiHjdt

tdci jj

j00 exp)(0exp0

)( Er

0

00

0

00

00 01

)(exp1)(exp10

exp)exp(0)(

j

j

j

jx

jt

xxj

titixjeE

dtticctiExjeitc

(426)

この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基この係数は摂動を受けて励起状態の波動関数が基底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表して底状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表しているいる

jjjj tirtctirtr )exp()()()exp()( 00

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1) (1) 　　 電気分極電気分極 PP のの期待値期待値を計算を計算

(( 入射光の角周波数と同じ成分 入射光の角周波数と同じ成分 ))

)(110

exp)(0exp)(000

)(

00

2

2

00

tExj

Nq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

xj jj

jjxjjxj

x

0)()( xxxP

00

2

0

2 110

jjjxx xj

Nq

(427)

(428)

0

00

0

00

)(exp1)(exp10)(

j

j

j

jxxj

titixjeEtc

誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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誘電率の対角成分の導出誘電率の対角成分の導出 (1)(1)

有限の寿命を考える有限の寿命を考える ii の置き換えをするの置き換えをする

j jxj

j jjxx

if

m

Ne

iixjm

m

Nq

2200

2

00

2

0

2

1

110)(

誘電率に変換誘電率に変換

(433)

(431)

2

0 02 xjmf jxj 振動子強度

jj

joxjxx

if

m

Ne

2222220

222

0

2

4

21)(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (1)(1) 非対角成分非対角成分 yy 方向の電界が方向の電界が EEyy((tt)) が印加されたが印加された

ときの分極ときの分極 PP のの xx 成分の期待値成分の期待値

j j

y

j

y

jjxj

jjxjjxj

x

tiEtiEjyxjNq

cctitcxjNq

titcjxtitcxjxNq

dxxNqtNqxP

0

0

0

02

0

00

)exp()exp(100

exp)(0

exp)(0exp)(000

)(

j j

xy

xjjyNq

0

2 00)(

および

j j

xy

yjjxNq

0

2 00)(

j jj

xyxyxy

yjjxxjjyNq

00

2 0000

22

)()()(

誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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誘電率の非対角成分の導出誘電率の非対角成分の導出 (2)(2)

という置き換えをすると若干の近似のもとで という置き換えをすると若干の近似のもとで 2iyxx

j jjxy

jxjx

i

Nq22

0

22

0

2 00

2)(

20 jx 右および左円偏光により基底状態 |0gt から励起状態 |jgt に遷移する確率

円偏光についての振動子強度

2

0 0 jxmf

jjo

j j

jjxyxy

i

ff

m

Nqi

220

00

0

2

2)(

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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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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rarrスピン状態の分裂磁化の存在rarrスピン状態の分裂

左右円偏光の選択則には影響しない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rarr軌道状態の分裂スピン軌道相互作用rarr軌道状態の分裂 右右 (( 左左 )) 回り光吸収rarr右回り光吸収rarr右 (( 左左 )) 回り電子運動誘起回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件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磁化には必ずしも比例しない

電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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電子分極のミクロな扱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

2220

2

20

2210

2

10

0

2

220

2

00

2

02012

10

2

xxNq

xjNq

jjjxx

|1gt

|0gt

|2gt

lt0|x|1gt lt1|x|0gt

円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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円偏光の吸収と電子構造円偏光の吸収と電子構造

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

s-like

p-=px-ipy

p+=px+ipy

px-orbitalpy-orbital

光の電界 １

0

20

１ 0-

20-

10 は 20 より光エネルギー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

2220

2

202210

2

10

2 2010

2)(

xx

i

Nqxy

|0gt

|1gt

|2gt

スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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スピン軌道相互作用の重要性スピン軌道相互作用の重要性

L=1

L=0

LZ=+10-1

LZ=0

Jz=-32Jz=-12

Jz=+12Jz=+32

Jz=-12

Jz=+12

交換分裂 交換相互作用

+スピン軌道相互作用磁化なし

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (1)(1)－絶縁性磁性体の場合－ －絶縁性磁性体の場合－

磁気光学効果スペクトルは式磁気光学効果スペクトルは式 (438)(438) をきちんをきちんと計算すれば説明できるはずのものであると計算すれば説明できるはずのものであるがが 遷移の性質により典型的な遷移の性質により典型的な 22 つの場合つの場合にわけて調べられている励起状態がスピンにわけて調べられている励起状態がスピン軌道相互作用で分かれた軌道相互作用で分かれた 22 つの電子準位からつの電子準位からなる場合は伝統的に反磁性項とよばれるなる場合は伝統的に反磁性項とよばれる一方励起電子準位が一方励起電子準位が 11 つで基底状態とのつで基底状態との間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場間の左右円偏光による光学遷移確率異なる場合は伝統的に常磁性項とよばれる合は伝統的に常磁性項とよばれる

反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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反磁性型スペクトル反磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

01 2

磁化の無いとき 磁化のあるとき

Lz=0

Lz=+1

Lz=-1

1+2

光子エネルギー 光子エネルギー

rsquoxyrdquoxy

誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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誘電率の非対角成分のピーク値誘電率の非対角成分のピーク値

20

2

4

m

fNe SO

peakxy

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=1028m-3 f0=1 so=005eV 0=2eV =01eV を代入 xyrdquo|peak=35 を得る

常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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常磁性型スペクトル常磁性型スペクトル

励起状態

基底状態

f+ f-

f=f+ - f-

0

磁化なし 磁化あり

rsquoxy

rdquoxy

光子エネルギー

誘電率の非対角要

素

磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁気光学スペクトルの形磁気光学スペクトルの形 (2)(2)－金属磁性体の場合－ －金属磁性体の場合－

バンド電子系の場合準位は連続的バンド電子系の場合準位は連続的ΣrarrintΣrarrint

occ

kl

unocc

knknlxyxy nlnl

m

q

22

2

2

2)Im()(

kdFm

qnlnlxy

332

2

8

1

2

Fnl(ω) ＝ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2 ＋ |ltnuarr|π － |uarrlgt|2 － |ltnuarr|π ＋ |uarrlgt|2

各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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各種材料の磁気光学効果各種材料の磁気光学効果 酸化物磁性体磁性ガーネット酸化物磁性体磁性ガーネット 金属磁性体金属磁性体 Fe Co NiFe Co Ni 金属間化合物合金金属間化合物合金 PtMnSbPtMnSb などなど 磁性半導体磁性半導体 CdMnTeCdMnTe などなど 人工格子人工格子 PtCo FeAuPtCo FeAu などなど アモルファスアモルファス TbFeCo GdFeCoTbFeCo GdFeCo などなど グラニュラーグラニュラー AlAl22OO33CoCo などなど

YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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YY33FeFe ５５ OO １２１２の電子準位図の電子準位図

6S (6A1 6A1g)

6P (6T2 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction

tetrahedral crystal field

(Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=72

J=52

J=32

52

-32

-

Jz=

32

72

32

32

52 -52

-32

-32

-32

-72

Jz=

P+ P-P+ P-

experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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experiment

calculation

300 400 500 600

wavelength (nm)

Far

aday

rot

atio

n (a

rb u

nit)

0

-2

　 0

+2

Far

aday

rot

atio

n (d

egc

m)

04

x104

08

-04

YY33FeFe55OO1212 のの FaradayFaraday 回転回転スペクスペクトルトル

FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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FeFe のカー回転スペクトルののカー回転スペクトルの理論と実験理論と実験

片山

073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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073ML11ML

201ML

3 1ML

4 02ML

4 93ML

6 57ML6 02ML

2 3 4 5Photon Energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

(mde

gF

e nm

)10

0 FeFe 超薄膜の超薄膜の磁気光学効果磁気光学効果

(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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(a) (b) (c)

PtMnSbPtMnSb の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル

カー回転と楕円率 誘電率対角成分 誘電率非対角成分

xxxx

xyK

1

Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Photon Energy (eV)

Far

aday

Rot

atio

n(x1

0-3 d

egc

m)

x=021x=045

x=074

希薄磁性半導体希薄磁性半導体 CdMnTeCdMnTe

Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Wavelength (nm)P

ola

r K

err

ro

tatio

n (

min

)

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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5 4 3 2

Photon Energy (eV)

0

-02

-04

-06

Pol

ar

Ker

r ro

tatio

n (d

eg)

Wavelength (nm)

300 400 500 600 700

アモルファスアモルファス RTRT 膜の磁気光学効膜の磁気光学効果果

磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁気光学研究の最近の展開磁気光学研究の最近の展開

11 磁性人工構造の磁気光学効果磁性人工構造の磁気光学効果22 近接場磁気光学顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡33 非線形磁気光学効果非線形磁気光学効果44 その他その他

１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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１磁性人工構造の磁気光学効果１磁性人工構造の磁気光学効果

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類②② FeCu FeAuFeCu FeAu 多層膜の磁気光学効果多層膜の磁気光学効果③③ 磁性超薄膜の磁気光学効果磁性超薄膜の磁気光学効果④④ FeAuFeAu人工規則合金人工規則合金⑤⑤ PtFe PtCoPtFe PtCo 人工格子人工格子⑥⑥ PdCoPdCo人工格子人工格子⑦⑦ FePtPtFePtPt人工格子人工格子⑧⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt人工格子人工格子⑨⑨ 人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ

①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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①① 磁性人工構造膜の分類磁性人工構造膜の分類 固溶系と非固溶系固溶系と非固溶系

TMCu Ag Au rarrTMCu Ag Au rarr 非固溶系界面急峻非固溶系界面急峻 TMPt PdrarrTMPt Pdrarr 固溶系界面合金化固溶系界面合金化

サイズサイズ LL と特性長と特性長 λλ LL ～～ λ(λ( 媒質中の光の波長媒質中の光の波長 )) MOMO エンハンスエンハンス

効果効果 LL ～～ ds(ds( 界面の荒さ界面の荒さ )rarr)rarr 相互拡散合金化相互拡散合金化 LL ～～ λλDD(( 電子のドブロイ波長電子のドブロイ波長 )rarr)rarr 量子閉じこめ量子閉じこめ LL ～～ a (a ( 原子のサイズ原子のサイズ )rarr)rarr バンドの改変近接バンドの改変近接

効果効果

② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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② ② FeCu FeAuFeCu FeAu 組成変調多層膜組成変調多層膜 媒体中の波長のオーダーの層厚媒体中の波長のオーダーの層厚

貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果貴金属のプラズマ端でのエンハンス効果 近似的には実効誘電率で説明可能近似的には実効誘電率で説明可能 変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能変調周期依存性は多重反射干渉効果で説明可能 変調周期が数変調周期が数 nmnm以下になると説明できなくな以下になると説明できなくな

るる(( 界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できな界面の凹凸や界面付近の相互拡散が無視できない合金化などが起きるい合金化などが起きる ))

xxxx

xyK

1

種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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種々の層厚をもった種々の層厚をもったFeCuFeCu組成変調多層膜組成変調多層膜の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトルおよび反射スペクトルおよび反射スペクトル

（実験値）（実験値）

Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=150245

106171

7011370113

150245106171

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Cu single layer Fe surface

Cu surface

FeCu=062Experiment

FeCu=31495792106171170275

(b) 実験結果

Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Bilayer

1n h

2n

N

h1

h2

h1

h1 h1

h2

h1

h2

1n

2n

1n

1n

2n

1n

1N

nN

LN

Multilayer

11

21

21

1

ˆ2

ˆˆ

ˆˆˆ

)2exp(ˆ1

)2exp(ˆ1ˆˆ

hnand

nn

nnr

where

ir

irnN

Complex Kerr rotation

2

ˆˆˆ

2

ˆˆ

ˆ1ˆ

ˆˆ

22

2

LLLLxy

xyK

NNNand

i

NN

where

NN

xxxx

xxxx

in

in

222

2

112

1

ˆ

ˆ

Virtual optical constant

仮想光学定数法仮想光学定数法

種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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種々の層厚をもった種々の層厚をもった FeCuFeCu組成変調多層膜の磁気光学ス組成変調多層膜の磁気光学スペクトルおよび反射スペクトペクトルおよび反射スペクト

ル（計算値）ル（計算値）Ker

r ro

tatio

n (

min

)

Wavelength (nm)

Fe single layer

Fe surface

Cu surface

FeCu=062Calculation

FeCu=150245

10617170113

(a)

Ref

lect

ivity

(

)

Wavelength (nm)

Cu single layer

Fe single layer

Fe surface

Cu surfaceFeCu=062Calculation

FeCu=31495792106171170275

(b) 仮想光学定数法による光学的シミュレーション

FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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FeCuFeCu組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性組成変調多層膜のカー回転角の変調周期依存性実験値実線および点線計算値実験値実線および点線計算値

Modulation period (Aring)

Ker

r ro

tatio

n (m

in)

CalcExp

Fe surface

Cu surface

③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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③ ③ FeAuFeAu 磁性超薄膜磁性超薄膜

MBEMBE 法で法で MgOMgO 基板上にエピタキシャル成長基板上にエピタキシャル成長したした Au(100)Au(100) 薄膜の上に薄膜の上に FeFe超薄膜を作製し超薄膜を作製しその上に保護層としてその上に保護層として AuAu の薄いキャップ層の薄いキャップ層をかぶせた三層膜における新しい光学遷移をかぶせた三層膜における新しい光学遷移

当初当初 2D2D のバンドによると同定rarrその後のバンドによると同定rarrその後FeFe層内での電子の量子閉じこめによるとして層内での電子の量子閉じこめによるとして説明された説明された

AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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AuFeAuAuFeAu 超薄膜の超薄膜の磁気光学カー回転ス磁気光学カー回転スペクトルのペクトルの FeFe層厚層厚

依存性依存性

Photon energy (eV)

Pol

ar K

err

rota

tion

Ang

le (

mde

gcm

)

Au のプラズマ

AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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AuFeAuFe 接合におけるバンド構造の関係接合におけるバンド構造の関係

Au(fcc) Fe(bcc)

EF

4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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4eV4eV における１層あたりのカー楕円率における１層あたりのカー楕円率のの FeFe 層厚依存性層厚依存性

CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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CoAuCoCoAuCo の磁気光学効果のの磁気光学効果の AuAu層厚依存層厚依存性性

④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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④ ④ FeAuFeAu 人工規則合金 人工規則合金

[Fe(1ML)Au(1ML)][Fe(1ML)Au(1ML)]NN は天然には存在しないは天然には存在しない L1L100

型の規則合金である型の規則合金である [Fe([Fe(xxML)Au(ML)Au(xxML)]ML)]NN においてもにおいても FeFe 層と層と AuAu

層の界面には層の界面には L1L100 型型 Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML) が存在が存在 FeFe とと AuAu の間には電子の重なり混成が生じの間には電子の重なり混成が生じ

もはやもはや FeFe 層層 Au Au 層の単なる積層では説明で層の単なる積層では説明できない新しいバンド構造が出現しているきない新しいバンド構造が出現している

Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Fe(1ML)Au(1ML)Fe(1ML)Au(1ML)

bcc Fe

fcc Au

Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Fe シード層Auバッファ

Fe(xML)

Au(xML)

MgO基板

1

2

3

N

整数層x=1 2 3 4 5 6 8 10 15非整数層x=225 25 275 325 35 375

Fe （ｘ ML)Au （ｘML)

磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁気光学カー回転角のスペクトル磁気光学カー回転角のスペクトル

x=1～ 5 x=6～ 15

第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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第１原理バンド計算による第１原理バンド計算による FFe(xML) Au(xML)e(xML) Au(xML) 人工格子の人工格子の磁気光学スペクトル　磁気光学スペクトル　（山口（山口

による）による）

4eV付近に見られる構造はAu の 5ddarrバンドから Au の5fdarrバンドへの遷移であるAu の 5fdarrバンドは Fe の 3ddarrバンドと強く混成しており実質的には Au(5ddarr)rarrFe(3ddarr)遷移と見なせる

FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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FeAuFeAu人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置人工格子の磁気光学スペクトルのピーク位置の変調周期に対するプロットの変調周期に対するプロット

点線は超薄膜における量子閉じ込め点線は超薄膜における量子閉じ込めピークの変調周期依存性ピークの変調周期依存性

⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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⑤ ⑤ Pt PdPt Pd と遷移金属の人工格子と遷移金属の人工格子

PtCo PdCoPtCo PdCo 等合金永久磁石材料等合金永久磁石材料 合金薄膜面内磁気異方性合金薄膜面内磁気異方性 人工格子rarr垂直磁気異方性人工格子rarr垂直磁気異方性 短波長用短波長用 MOMO 媒体として注目媒体として注目 人工格子界面に合金形成人工格子界面に合金形成 近接効果により近接効果により Pt PdPt Pd に磁気モーメント誘起に磁気モーメント誘起 rarr rarr 磁気光学への寄与磁気光学への寄与

PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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PtCoPtCo 人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-CoPt-Co 合金のカー回合金のカー回転およびカー楕円率のスペクトル転およびカー楕円率のスペクトル

(a)

(b)

　 (a) 実験値 (b) 実験値を最もよく再現する計算値

θK ηK θK ηK

Pt(10)Co(5)Pt(18)

Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy Pt(10)Co(5)Pt(18)Co(5)Pt(40)Co(20)

Pt60Co40 alloy

PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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PtFePtFe人工格子および対応する人工格子および対応する Pt-FePt-Fe 合金のカー回合金のカー回転及びカー楕円率のスペクトル転及びカー楕円率のスペクトル

(a)(a) 実験値実験値 (b)(b) 実験値を最もよく再現する計算値実験値を最もよく再現する計算値 (a)

(b) Simulation(a) Experiment

θK

ηK

θK

ηK

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

Pt(10)Fe(5)

Pt(20)Fe(5)

Pt61Fe39 alloy

⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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⑥ ⑥ PdCoPdCo 人工格子 人工格子 Pd(8Å)Co(4Å)Pd(8Å)Co(4Å) 人工格子人工格子 界面に界面に PdCoPdCo 合金を形成合金を形成

合金層だけではスペクトル形状説明できない合金層だけではスペクトル形状説明できない 合金化しなかった合金化しなかった PdPd が磁性を持つと仮定が磁性を持つと仮定 磁性磁性 PdPd の磁気光学効果を組成の異なるの磁気光学効果を組成の異なる PdCoPdCo

から見積もるから見積もる Mag-PdPdCoCoMag-PdPdCoCo でシミュレーションでシミュレーション

YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)YTosaka et al JMagnSocJpn18389(1994)

「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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「磁性「磁性 PdPd 」の磁気光学スペクトル」の磁気光学スペクトル

PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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PdCoPdCo の磁気光学スペクトルの実験値と界面の磁気光学スペクトルの実験値と界面 PdCPdCoo に加えてに加えて (a)(a) 非磁性非磁性 PdPd (b)(b) 仮想的磁性仮想的磁性 PdPd を仮を仮

定した計算値の比較定した計算値の比較 (a)

(a) Nonmagnetic Pd (b) Magnetic Pd

PdCo experiment

X=553500400

200

PdCo experiment

000

X=553500400

200000

⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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⑦ ⑦ FePtPtFePtPt 人工格子人工格子

FePtFePt は界面には界面に L1L100型の型の FePtFePt 合金を形成する合金を形成する そこではじめからそこではじめから FePtFePt 合金を作りこれ合金を作りこれ

とと PtPt の人工格子を作るとどうなるかを調べたの人工格子を作るとどうなるかを調べた

FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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FePt(FePt(xxAring)Pt(Aring)Pt(xxAring)Aring) 人工格子の人工格子の磁気光学カー回転スペクトル磁気光学カー回転スペクトル

FePt と磁性 Ptが強磁性的に結合と仮定

FePt と磁性 Pt が反強磁性的に結合と仮定

Experiment

Simulation

FePt厚 gt50Å 強磁性結合FePt厚 lt50Å 反強磁性結合

仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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仮想的な「磁性仮想的な「磁性 PtPt 」の磁気光学スペ」の磁気光学スペクトル クトル (( 誘電率テンソルの非対角成誘電率テンソルの非対角成

分）分）

スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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スペクトル形状はスペクトル形状は貴金属で決まり貴金属で決まり遷移金属を変えて遷移金属を変えても余り変化しないも余り変化しない3d3dバンドが電子バンドが電子で埋まっていくにで埋まっていくに従い磁気光学効従い磁気光学効果の大きさは弱く果の大きさは弱くなるなる

山口による

⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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⑧ ⑧ TbFeCoPtTbFeCoPt 人工格子人工格子

YItoh et alJ Magn Soc Jpn 24 1371 (2000)

[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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[TbFeCoPt][TbFeCoPt] 人工格子の構造モデル人工格子の構造モデル

対称モデル ( 点線 ) では説明できない

非対称モデル (破線 ) とよく合う

磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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磁性磁性 PtPt を考慮したシミュレーショを考慮したシミュレーションン

Pt の磁化と FePt の磁化が反平行とした方が実験をよく説明する

⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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⑨⑨人工構造膜の磁気光学効果まとめ人工構造膜の磁気光学効果まとめ 遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における遷移金属貴金属系多層膜人工格子膜における様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた様々な物性を磁気光学スペクトルを通じて調べた

何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長何種類かの特性長があり層厚や変調周期が特性長に近づくと特有のスペクトルが現れるに近づくと特有のスペクトルが現れる

層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さ層厚が大きいときは光学的取り扱いがよいが小さくなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮くなると量子サイズ効果やバンド形成効果を考慮しなければならないしなければならない

遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもち遷移金属との近接効果によって貴金属が磁化をもちそれが磁気光学スペクトルにも反映されるそれが磁気光学スペクトルにも反映される

２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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２近接場磁気光学顕微鏡２近接場磁気光学顕微鏡（（ MO-SNOM)MO-SNOM)

近接場とは近接場とは 近接場顕微鏡（近接場顕微鏡（ SNOM)SNOM) の歴史の歴史

近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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近接場とは近接場とは

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

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

SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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SNOMSNOM の歴史の歴史 近接場の概念電磁気学において古くから知られる近接場の概念電磁気学において古くから知られる

HertzHertz DipoleDipole の近くの電場はの近くの電場は 1r1r ではなくではなく 1r1r22 かなり強かなり強いい

Sommerfeld Dipole antennaSommerfeld Dipole antenna 近傍の近接場を導出近傍の近接場を導出 1928 Synge(1928 Synge( 英英 )) 近接場顕微鏡のアイデアを提案近接場顕微鏡のアイデアを提案 1972 Ash1972 Ash マイクロ波で波長のマイクロ波で波長の 160160 の解像度達成の解像度達成 1982 Pohl SNOM1982 Pohl SNOM の原形の原形 1985 Pohl 20nm1985 Pohl 20nm の分解能達成の分解能達成 1991 Betzig1991 Betzig マイクロピペットを使って実用性の高いマイクロピペットを使って実用性の高い

SNOMSNOM を開発光磁気記録に成功を開発光磁気記録に成功

集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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集光モード集光モード (a)(a) と照射モードと照射モード (b)(b)

光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

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coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

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ten

sity

(co

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ts1

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c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

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0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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光ファイバプローブを用いた光ファイバプローブを用いたSNOMSNOM

集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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集光モード照射モードの集光モード照射モードの SNOMSNOM

プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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プローブの高さ制御プローブの高さ制御

Sample surface

Fiber probe

Quartz oscillator

Piezoelectrically-driven xyz-stage

Piezoelectrically-driven 　 xyz-stage

bimorph

LDPhoto diode

Shear force(剪断力 ) 方式 カンチレバー方式

SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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SNOMSNOM による磁気光学測定による磁気光学測定 1991 Betzig1991 Betzig 光ファイバーをテーパー状に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細めたプローブ で光磁気記録再生に成功

1992 Betzig1992 Betzig 超微細加工した金属細線リン超微細加工した金属細線リングの偏光像 グの偏光像

多くの研究あるが高解像度の多くの研究あるが高解像度の MO-SNOMMO-SNOM 像像は得られていないは得られていない

偏光をファイバを通して伝えるのが困難偏光をファイバを通して伝えるのが困難

KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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KottlerKottler らの試みらの試み

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

(a)

(b)

筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

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2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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筆者らの方法筆者らの方法 SNOM-AFMSNOM-AFM モードを利用モードを利用 はじめはじめクロスニコル法rarrコントラスト比とれないクロスニコル法rarrコントラスト比とれない 解決法解決法 PEMPEM による偏光変調による偏光変調 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偏光伝達特性の補償 約約 01μm01μm の解像度を達成の解像度を達成

SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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SNOMSNOM のブロック図のブロック図

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

ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

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330

050

100150200250300

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100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

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(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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ベントファイバプローブベントファイバプローブ

Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Aperture Diameter

Evanescent Wave 　

Al-coating

light

50-100 nm

Transmitting Wave

z-exp0

IIE

Near-Field

Far Field

Application to MO-SNOM

Optical Fiber Probe and Near-Optical Fiber Probe and Near-Field OpticsField Optics

Transmission Prop

図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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図３

ファイバホルダーファイバホルダー

0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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0202mm の記録マークのの記録マークの SNOMSNOM 像像

反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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反射モード反射モード SNOMSNOM 像像

凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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凹面鏡を用いた反射凹面鏡を用いた反射 SNOMSNOM

　凹面鏡を集光に用いた反射型 SNOMの構成図

３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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３非線形磁気光学効果３非線形磁気光学効果 非線形光学効果とは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非線形カー回転とは

PP 偏光が入射したとき偏光が入射したとき SHSH 光には光には PP 成分と成分とSS 成分が生じ入射面から回転する成分が生じ入射面から回転する

中心対称のある物質中心対称のある物質 (Fe Au(Fe Au など）では電など）では電気双極子による気双極子による SHGSHG は起きない表面界面は起きない表面界面に敏感に敏感

LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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LD pump SHG laser

lens

Mirror

Chopper

Lens

Analyzer

Filter

PMT

Ti sapphirelaser

Mirror

Filter

polarizer

Berek compensator

Sample

Stage 　controller

Electromagnet

Photon counter Computer

=532nm

=810nmPulse=150fsP=600mWrep80MHz

Photon counting

非線形磁気光学効果測定系非線形磁気光学効果測定系

P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

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0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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P-polarized or S-polarized light

nm)

nm)

AnalyzerFilter

nm)

Pole piece

Rotatinganalyzer

試料回転

Sample stage

45deg

Sample

MSHGMSHG 測定系配置測定系配置

Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Result

Analyzer angle-dependence for

[Fe(35ML)Au(35ML)] superlattice (Sin)Nonlinear Kerr rotation amp ellipticity

K(2)= 172 ３

The curves show a shift for two opposite directions of magnetic field

0 30 60 90 120 150 1800

10

20

30

40

50

3kOe -3kOe

Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

104

2K(2)=343

S-polarized lightω(810nm)

2 (405nm)

Analyzer

45deg

Electromagnet

Rotating Analyzer

Filter

)(

)(tan

)(

)(tan

2

1 11)2(

MIN

MAX

MIN

MAXK I

I

I

I

MSHGMSHG の検光子角依存性の検光子角依存性

Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Analyzer angle dependence

Analyzer angle (deg) Analyzer angle (deg)

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

(a) Fe(1ML)Au(1ML) 　Pin

(b) Fe(175ML)Au(175ML) 　 Sin

= 274deg = 311deg

Result FeAuFeAu の非線形カー回転角の非線形カー回転角

SH

G in

tens

ity (

coun

ts1

0sec

)

Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Azimthal angle-dependence of MSHG intensity for [Fe(375ML)Au(375ML)] superlattice 　（ Pin Pout ）

(a) 　 Linear (810nm) (b) 　 SHG (405nm)

　 Linear optical response 　 (=810nm)　　　 The isotropic response for the azimuthal

angle　 Nonlinear optical response (=405nm)　　　 The 4-fold symmetry pattern　　　 Azimuthal pattern show 45-rotation by

reversing the magnetic field

050

100150200250300

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

050

100150200250300

020406080

100

0

30

6090

120

150

180

210

240270

300

330

020406080

100

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

SH

G in

ten

sity

(co

un

ts1

0se

c)

45

P-polarized light (810nm)

Electromagnet

2 (405nm)

Analyzer 45deg

Rotation of sample

Filter

線形非線形

MSHGMSHG の試料方位依存性の試料方位依存性

２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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２次の非線形分極２次の非線形分極

QijklLkj

DijkLkj

Dijk

kljQ

ijklkjD

ijki

klj EEMEEEE

EEMEEMMP

)()()(

)()()2(

0

Surface nonmagnetic(dipole term)

Bulknonmagnetic(quadrupole)

Surface Magnetic(dipole term)

ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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ASP=460 B=26 C=-88

(c) Sin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

ASS=100 B=26 C=-88

(d) Sin-Sout

103

APP=1310 B=26 C=-88

(a) Pin-Pout

103

SH

G in

tens

ity

(cou

nts

10se

c)

APS=-300 B=26 C=-88

(b) Pin-Sout

103 点実験実線計算

MSHGMSHG 方位角依存性のシミュレーショ方位角依存性のシミュレーションン

CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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CrCr22OO33 のの MSHGMSHG

非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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非線形磁気光学顕微鏡非線形磁気光学顕微鏡

非線形磁気光学顕微鏡の模式図

LP F1

Objective lens

Sample

F2

A

CCD

非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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非線形磁気光学顕微鏡像非線形磁気光学顕微鏡像

その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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その他の磁気光学効果その他の磁気光学効果

Ｘ線磁気光学顕微鏡Ｘ線磁気光学顕微鏡 Ｓａｇｎａｃ顕微鏡Ｓａｇｎａｃ顕微鏡

2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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2p12

2p32

3d

(12)

(6)

(2)

(1)

(3)

(6) (6)

(3)

(3)

(14)

(a)

(b)

+12 -12

+32 +12 -12 -32mj

mj

+2 +1 0 -1 -2md

Occupation of minority 3d band

Ｘ線磁気光学効果Ｘ線磁気光学効果

(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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(b)

LL 吸収端の磁気円二色性吸収端の磁気円二色性

XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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XMCDXMCD 顕微鏡顕微鏡

Fischer による

XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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XX線顕微鏡による線顕微鏡による MOMO 膜観測膜観測

XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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XX 線顕微鏡で観察した線顕微鏡で観察した GdFeGdFe の磁区の磁区

Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Fiber

Lens

4plate

4plate

SampleLens

Fiber

(a)

Source

Polarizer

Beam Splitter

DetectorElectro-OpticModulator

ccw

cw

サニャック干渉計サニャック干渉計

サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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サニャックサニャック SNOMSNOM

Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

2

Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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Optical delay

Ti-sapphirelaser

pump

probe

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Polarizersample

Analyzer

Detector

ポンププローブ磁気光学測定ポンププローブ磁気光学測定

おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

い研究が進展しているい研究が進展している

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おわりにおわりに 磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応磁気光学効果は光学的には左右円偏光に対する応答の差として説明される答の差として説明される

磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対磁気光学効果は現象論的には誘電率テンソルの非対角成分から生じる角成分から生じる

磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互磁気光学効果は量子論的には磁化とスピン軌道相互作用により生じる作用により生じる

光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した光磁気記録光通信デバイスなどの応用が発展した 非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し非線形磁気光学効果近接場磁気光学効果など新し

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