Magnetooptischer Kerr-Effekt

Der magnetooptische Kerr-Effekt (kurz: MOKE) beschreibt eine Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls um einen Winkel ${\displaystyle \theta _{\mathrm {K} }}$ bei Reflexion an einer Festkörperoberfläche mit Magnetisierung ${\displaystyle {\vec {M}}}$. Eine solche Magnetisierung existiert bei Ferromagneten oder in einem Magnetfeld befindlichen Paramagneten. Die Änderung der Polarisationsebene ist dabei proportional zur Magnetisierung der Probe. Somit kann über diesen Kerr-Winkel ${\displaystyle \theta _{\mathrm {K} }}$ die Magnetisierung der Probe beschrieben werden und die Änderung derselben im externen Magnetfeld beobachtet werden. Ein ähnlicher Effekt tritt auch bei Transmission von Licht durch die Probe auf. Dieser heißt Faraday-Effekt. Beide Effekte resultieren unmittelbar aus Nichtdiagonalelementen des Permittivitätstensors.

Neben dem MOKE, der linear von der einfallenden Lichtintensität abhängt, existiert bei hohen Lichtintensitäten im Bereich der nichtlinearen Optik auch ein nichtlinearer magnetooptischer Kerr-Effekt (NOLIMOKE).

Der MOKE ist Grundlage für die magnetooptische Kerr-Spektroskopie und die magnetooptische Datenspeicherung.

Wenn durch einen Analysator (Polarisator) die Polarisationsdrehung in eine Helligkeitsänderung umgesetzt wird, kann man mit Hilfe des MOKE magnetische Streufelder visualisieren.[1]

Der magnetooptische Kerr-Effekt tritt in unterschiedlichen Formen auf, die sich durch die Lage der Magnetisierung in Bezug zur Einfallsebene des Lichts definieren.

Reflektiert eine linear polarisierte Welle an einer magnetisierten Oberfläche, so dreht sich die Polarisationsebene um den Kerr-Winkel ${\displaystyle \theta _{\mathrm {K} }}$ gegenüber seiner Ausgangsrichtung. Zusätzlich wird die linear polarisierte Welle elliptisch polarisiert.

Die Drehung kommt dadurch zustande, dass das Material nach seiner Magnetisierung unterschiedliche Brechungsindizes für die verschieden zirkulierenden Wellen hat und dadurch unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten zustande kommen. Dadurch ergibt sich eine Phasendifferenz beider Wellen und dadurch eine Änderung der Polarisationsachse um den Kerr-Winkel. Weiterhin hat das Material auch unterschiedliche Absorptionskoeffizienten für rechts- und links-zirkular polarisiertes Licht, wodurch sich die Intensitäten ändern. Dadurch wird die Elliptizität erklärt. Dieses Phänomen wird magnetisch zirkularer Dichroismus genannt.

Beide Informationen werden im komplexen Kerr-Winkel ${\displaystyle \Phi _{\mathrm {K} }}$ wiedergegeben:

${\displaystyle \Phi _{\mathrm {K} }=\Theta _{\mathrm {K} }+i\eta }$

${\displaystyle \eta }$ gibt dabei die Elliptizität an, für die ${\displaystyle \eta =\arctan(b/a)}$ gilt, wobei ${\displaystyle a}$ und ${\displaystyle b}$ die Amplituden der Wellen sind. Da die Intensität ${\displaystyle I}$ einer Welle direkt proportional zu ihrem Amplitudenquadrat ist, folgt

${\displaystyle \eta =\arctan \left({\sqrt {I_{\mathrm {r} }/I_{\mathrm {l} }}}\right)}$

mit den Intensitäten ${\displaystyle I_{\mathrm {r} }}$ für den rechts-zirkular polarisierten und ${\displaystyle I_{\mathrm {l} }}$ für den links-zirkular polarisierten Anteil.

• Z. Q. Qiu, S. D. Bader: Surface magneto-optic Kerr effect. In: Review of Scientific Instruments. Band 71, Nr. 3, 2000, S. 1243–1255, doi:10.1063/1.1150496.
• M. Grimsditch, P. Vavassori: The diffracted magneto-optic Kerr effect: what does it tell you? In: Journal of Physics: Condensed Matter. Band 16, Nr. 9, 2004, S. R275–R294, doi:10.1088/0953-8984/16/9/R01.

• Kerr-Magnetometer

1. MagView – Magnetooptische Visualisierung magnetischer Felder; Webpräsenz Fa. Matesy GmbH.