磁気光学効果

磁気光学効果とは、準静的磁場の存在によって変化した媒質を電磁波が伝搬する際に生じる様々な現象の総称です。このような媒質は、ジャイロトロピック媒質またはジャイロ磁気媒質とも呼ばれ、左回転および右回転の楕円偏光が異なる速度で伝搬し、様々な重要な現象を引き起こします。光が磁気光学材料の層を通過する際に生じる現象はファラデー効果と呼ばれ、偏光面を回転させることでファラデー回転子を形成します。磁気光学材料からの反射による現象は、磁気光学カー効果として知られています（非線形カー効果とは混同しないように注意が必要です）。

一般に、磁気光学効果は、 局所的に（つまり、磁場の発生源ではなく光の伝搬のみを考慮した場合）時間反転対称性を破るだけでなく、光アイソレーター（光が一方向には通過するが、逆方向には通過しない）などのデバイスを構築するために必要な条件であるローレンツの相反性も破ります。

損失のない媒体の複素共役εテンソルに対応する、2つの主分極の回転方向が逆になっている2つのジャイロトロピック材料は、光学異性体と呼ばれます。

特に、磁気光学材料では、磁場（外部から印加されたものか、材料自体が強磁性体であるため）の存在によって、材料の誘電率テンソルεが変化することがあります。εは異方性となり、入射光の周波数ωに応じて、複素非対角成分を持つ3×3行列になります。吸収損失を無視できる場合、εはエルミート行列になります。結果として生じる 主軸も複素数となり、左回転偏光と右回転偏光が異なる速度で伝搬する楕円偏光に対応します（複屈折に類似）。

より具体的に言うと、吸収損失を無視できる場合、エルミートεの最も一般的な形式は次のようになります。

${\displaystyle \varepsilon ={\begin{pmatrix}\varepsilon _{xx}'&\varepsilon _{xy}'+ig_{z}&\varepsilon _{xz}'-ig_{y}\\\varepsilon _{xy}'-ig_{z}&\varepsilon _{yy}'&\varepsilon _{yz}'+ig_{x}\\\varepsilon _{xz}'+ig_{y}&\varepsilon _{yz}'-ig_{x}&\varepsilon _{zz}'\\\end{pmatrix}}}$

あるいは、変位場Dと電場Eの関係は次のように表される。

${\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon \mathbf {E} =\varepsilon '\mathbf {E} +i\mathbf {E} \times \mathbf {g} }$

どこ${\displaystyle \varepsilon '}$は実対称行列であり、${\displaystyle \mathbf {g} =(g_{x},g_{y},g_{z})}$は、ジャイレーションベクトルと呼ばれる実擬ベクトルであり、その大きさは一般的に の固有値に比べて小さい。${\displaystyle \varepsilon '}$gの方向は、物質の回転軸と呼ばれる。一次近似では、 gは印加磁場に比例する。

${\displaystyle \mathbf {g} =\varepsilon _{0}\chi ^{(m)}\mathbf {H} }$

どこ$\displaystyle \chi ^{(m)}\!}$は磁気光学感受率（等方性媒質ではスカラー、より一般的にはテンソル）である。この感受率自体が電場に依存する場合、磁気光学パラメトリック生成という非線形光学効果が得られる（印加磁場によって強度が制御されるポッケルス効果にいくらか類似している）。

最も単純な解析ケースは、gが主軸 (固有ベクトル) である場合である。${\displaystyle \varepsilon '}$、そして他の2つの固有値は${\displaystyle \varepsilon '}$これらは同一である。次に、簡略化のためにgをz方向に配置すると、εテンソルは次の形式に簡略化される。

${\displaystyle \varepsilon ={\begin{pmatrix}\varepsilon _{1}&+ig_{z}&0\\-ig_{z}&\varepsilon _{1}&0\\0&0&\varepsilon _{2}\\\end{pmatrix}}}$

最も一般的には、 z方向（gに平行）に伝搬する光を考える。この場合、解は位相速度を持つ楕円偏光電磁波である。${\displaystyle 1/{\sqrt {\mu (\varepsilon _{1}\pm g_{z})}}}$（μは透磁率である）。この位相速度の差がファラデー効果を引き起こす。

回転軸に完全に垂直に伝播する光の場合、その特性はコットン・ムートン効果として知られており、サーキュレーターに利用されます。

カー回転とカー楕円率

カー回転とカー楕円率は、ジャイロ磁性体に接触する入射光の偏光の変化を表す。カー回転とは、透過光の偏光面内での回転であり、カー楕円率は、楕円偏光が伝搬する面上で描く楕円の長軸と短軸の比である。これらの2つの特性を用いることで、入射光の偏光方向の変化を定量化することができる。

古典物理学によれば、光の速度は物質の誘電率によって変化する。

${\displaystyle v_{p}={\frac {1}{\sqrt {\epsilon \mu }}}}$

どこ${\displaystyle v_{p}}$は物質中を光が通過する速度であり、${\displaystyle \epsilon }$は材料の誘電率であり、${\displaystyle \mu }$誘電率は物質の透磁率です。誘電率は異方性を持つため、偏光方向が異なると、伝搬速度も異なります。

円偏光した光波（右図参照）を考えると、この現象はよりよく理解できます。この光波が、水平成分（緑色の正弦波）と垂直成分（青色の正弦波）の速度が異なる物質と相互作用すると、2つの成分は（円偏光に必要な）90度の位相差から外れ、カー楕円率が変化します。

カー回転の変化は、直線偏光において最も容易に認識できます。直線偏光は、左円偏光（LHCP）と右円偏光（RHCP）の2つの円偏光成分に分離できます。磁気光学材料の誘電率の異方性により、LHCPとRHCPの光速に差が生じ、偏光角が変化します。このような性質を示す材料は複屈折性材料として知られています。

この回転から、直交速度成分の差を計算し、異方性誘電率を求め、回転ベクトルを求め、印加磁場を計算することができます^{[ 1 ]。}${\displaystyle \mathbf {H} }$。

• ゼーマン効果
• QMR効果
• 磁気光学カー効果
• ファラデー効果
• フォークト効果
• 光電効果

• 連邦規格1037CおよびMIL-STD-188より
• レフ・ダヴィドヴィチ・ランダウ、エフゲニー・ミハイロヴィチ・リフシッツィ（1960）。連続媒体の電気力学。パーガモン・プレス。82 ページ。ISBN 97800800910512012年6月3日に取得。{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）
• ジャクソン、ジョン・デイビッド（1998）。古典電磁気学（第3 版）。ニューヨーク：ワイリー。6 ～ 10ページ。ISBN  978-0471309321。
• Jonsson, Fredrik; Flytzanis, Christos (1999年11月1日). 「磁気光学媒体における光パラメトリック生成と位相整合」. Optics Letters . 24 (21): 1514–1516 . Bibcode : 1999OptL...24.1514J . doi : 10.1364/OL.24.001514 . PMID 18079850 . 
• Pershan, PS (1967年1月1日). 「磁気光学効果」. Journal of Applied Physics . 38 (3): 1482–1490 . Bibcode : 1967JAP....38.1482P . doi : 10.1063/1.1709678 .
• Freiser, M. (1968年6月1日). 「磁気光学効果の概観」. IEEE Transactions on Magnetics . 4 (2): 152–161 . Bibcode : 1968ITM.....4..152F . doi : 10.1109/TMAG.1968.1066210 .
• 広帯域磁気光学分光法（2015年7月12日にWayback Machineにアーカイブ済み）

 この記事は、連邦規格1037C（一般調達局）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 2022年1月22日にオリジナルからアーカイブされました。