磁気光学効果

磁気光学効果は、準静的磁場の存在によって変化した媒体中を電磁波が伝播する現象の 1 つです。このような媒体はジャイロトロピックまたはジャイロマグネティックとも呼ばれ、左回転および右回転の楕円偏光が異なる速度で伝播し、いくつかの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と、ファラデー効果と呼ばれる結果が生じます。つまり、偏光面が回転し、ファラデー回転子が形成されます。磁気光学材料からの反射の結果は、磁気光学カー効果として知られています (非線形カー効果と混同しないでください)。

一般に、磁気光学効果は、局所的に時間反転対称性を破ります （つまり、磁場の発生源ではなく光の伝播のみが考慮される場合）。また、光アイソレータ（光が一方向には通過するが、他の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。

2 つの主偏光の回転方向が逆である 2 つのジャイロトロピック物質は、損失のない媒体の複素共役 ε テンソルに対応し、光学異性体と呼ばれます。

特に、磁気光学材料では、磁場の存在（外部から印加されるか、材料自体が強磁性体であるため）により、材料の誘電率テンソル εが変化する可能性があります。 ε は、入射光の周波数 ω に応じて、複雑な非対角成分を持つ異方性の 3×3 行列になります。吸収損失が無視できる場合、 ε はエルミート行列です。結果として生じる 主軸も複雑になり、左回転偏光と右回転偏光が異なる速度で伝わる楕円偏光に対応します（複屈折に類似）。

より具体的には、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。

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

または、変位場 Dと電場 Eの関係は次のようになります。

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

ここで、は実対称行列、は回転ベクトルと呼ばれる実擬似ベクトルで、その大きさは の固有値に比べて一般に小さい。 gの方向は物質の回転軸と呼ばれる。 gは第一に、印加磁場に比例する。 ${\displaystyle \epsilon '}$${\displaystyle \mathbf {g} =(g_{x},g_{y},g_{z})}$${\displaystyle \epsilon '}$

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

ここで、は磁気光学感受率（等方性媒体ではスカラー、より一般的にはテンソル）です。この感受率自体が電場によって決まる場合、磁気光学パラメトリック生成の非線形光学効果を得ることができます（印加磁場によって強度が制御される ポッケルス効果に似ています）。${\displaystyle \chi^{(m)}\!}$

解析する最も単純なケースは、gが の主軸（固有ベクトル）であり、 の他の 2 つの固有値が同一である場合です。次に、簡単化のためにg をz方向にすると、ε テンソルは次の形式に単純化されます。 ${\displaystyle \epsilon '}$${\displaystyle \epsilon '}$

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

最も一般的には、光がz方向（ gに平行）に伝播すると考えられます。この場合、解は位相速度 を持つ楕円偏光電磁波です（ここで、 μ は透磁率）。この位相速度の差がファラデー効果につながります。 ${\displaystyle 1/{\sqrt {\mu (\varepsilon _{1}\pm g_{z})}}}$

回転軸に対して垂直に伝播する光の特性はコットン・ムートン効果として知られており、サーキュレーターに使用されます。

カー回転とカー楕円率は、回転磁性体と接触する入射光の偏光の変化です。カー回転は透過光の偏光面の回転であり、カー楕円率は楕円偏光された光が伝搬する平面上で描く楕円の長軸と短軸の比です。偏光された入射光の方向の変化は、この 2 つの特性を使用して定量化できます。

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します。

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

ここで、は物質を通過する光の速度、は物質の誘電率、 は物質の透過率です。誘電率は異方性であるため、異なる方向の偏光は異なる速度で伝わります。 ${\displaystyle v_{p}}$${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle \mu}$

これは、円偏光した光の波（右図）を考えると、よりよく理解できます。この波が、水平成分（緑の正弦波）が垂直成分（青の正弦波）とは異なる速度で移動する物質と相互作用すると、2 つの成分は 90 度の位相差（円偏光に必要な）から外れ、カー楕円率が変わります。

カー回転の変化は直線偏光で最も簡単に認識され、直線偏光は 2 つの円偏光成分、すなわち左円偏光 (LHCP) 光と右円偏光 (RHCP) 光に分離できます。磁気光学材料の誘電率の異方性により、LHCP 光と RHCP 光の速度に差が生じ、偏光の角度が変化します。この特性を示す材料は複屈折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る^[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
• レフ・ダヴィドヴィッチ・ランダウ、エフゲニー・ミハイロヴィチ・リフシツ（1960）。連続媒体の電気力学。ペルガモン・プレス。p. 82。ISBN 9780080091051. 2012年6月3日閲覧。
• ジャクソン、ジョン・デイビッド（1998年）。古典電気力学（第3版）。ニューヨーク：ワイリー 。pp.6-10。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」.応用物理学ジャーナル. 38 (3): 1482– 1490. Bibcode :1967JAP....38.1482P. doi :10.1063/1.1709678.
• Freiser, M. (1968 年 6 月 1 日). 「磁気光学効果の調査」. 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

 この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。