Magneto-optikai spektroszkópia laboratórium

 

Természettudományi Kar

Fizikai Intézet

Összetett mágneses anyagoknál napjainkban egyre több példát látunk arra, hogy optikai spektrumukból alapvető információt tudunk szerezni a mágneses rendeződés jellegéről. Olyan fundamentális paramétereket határozhatunk meg ezáltal, mint a teljes mágnesezettség vagy az egyes alkotók mágnesezettsége, illetve a spin-pálya csatolás és a spinek közötti kicserélődési kölcsönhatás erőssége. Ennek alapja, hogy az elektronok mágneses állapota erősen kihat vezetési és optikai tulajdonságaikra. A laborunkban kifejlesztett széles foton energia tartományt átfogó magneto-optikai spektrométerrel tág méretskálán, szükség esetén alacsony hőmérsékleten és nagy mágneses terekben vizsgálunk technológiai szempontból fontos új mágneses anyagokat. A szervetlen mágnesek kutatásán túl biológiai rendszereket is tanulmányozunk a fenti optikai eszközökkel. E területen fő témáink: fehérjék másodlagos szerkezetének analízise cirkuláris kettőstörés spektroszkópiával ill. malária magneto-optikai úton történő diagnózisa.

 

Az optikai kísérletekhez számos mérőrendszert és spektrométert használunk, melyek közül több – részben vagy egészében –  egyéni fejlesztésű. Ezen eszközökkel optikai reflektivitást és transzmissziót illetve magneto-optikai Kerr effektust (MOKE), Faraday effektust, mágneses és természetes cirkuláris kettőstörést tudunk mérni a 0.1-7 eV foton energia tartományban (hullámhosszban: 170-12000 nm). A mágneses és természetes cirkuláris kettőstörés vizsgálatokat nagy érzékenységű polarizáció modulációs technikával valósítottuk meg, melynek alapját gyors optikai detektorok, fotoelasztikus modulátorok és lock-in erősítők adják.

 

·        Alacsony hőmérsékletű magneto-optikai (MO) mérőrendszer

 

Ez a berendezés látható-fényű és infravörös lézer diódákra, polarizációs elemekre, fotoelasztikus modulátorra épül. A vizsgált minta hőmérséklete a T=2-300K tartományban változtatható egy hélium hűtésű átfolyós optikai kriosztát segítségével. A polarizáció változás detektálásának tipikus pontossága ≤0.001°. A maximálisan B=0.4 T mágneses teret NdFeB permanens mágnesek szolgáltatják.

·    Nagy mágneses terű MO mérőrendszer

 

A mérőrendszer optikai megvalósítását tekintve hasonlít az előző pontban ismertetetthez. A lényeges különbség, hogy egy B=14 T indukciójú szupravezető mágnessel integrálható. A mintatér és az optikai fényút egy jelentős része is a mágnest tartalmazó hélium hűtésű kriosztátban helyezkedik el és egy házi készítésű optikai betéttel válik hozzáférhetővé. A minták hőmérséklete a T=2-300K tartományban változtatható.

 

 

 

 

·     Szélessávú MO spektrométer

 

A saját fejlesztésű egyedülállóan széles foton energia tartományt (0.1-7eV) átfogó MO mérőegység két optikai spektrométerre épül. Alacsony energiákon (0.1-0.9eV) egy egyedi kiépítésű Varian 670-es, két csatornás Fourier transzformációs spektrométerhez illesztettük a polarizáció modulációs mérőegységet. Míg nagyobb energiákon (0.7-7eV) egy Cornerstone ¼ monokromátort alkalmazunk, melyben három holografikus rács található. A széles energiatartomány lefedéséhez számos detektort használunk; MCT, InSb, InGaAs, Si fotodiódákat és fotoelektronsokszorozót. A polarizáció változás detektálásának pontossága a teljes spektrális tartományban ≈0.001°. Ez az elrendezés szintén használható alacsony hőmérsékletű mérésekre is maximum B=0.4 T mágneses tér alkalmazása mellett.

 

 

 

 

·         Komplex mágneses rendeződések vizsgálata kristályos anyagokban magneto-optikai spektroszkópiával
 

A szokványos mágnesezettség mérések eredményéhez képest jóval árnyaltabb információt kaptunk a mágneses szerkezetről és a mágnességért felelős elektronok karakterét illetően több mágneses alkotóból álló anyagok és számos alrácsból felépülő kristályos mágnesek esetén. Egyes esetekben vizsgáltuk a rendszerek mágneses fázisdiagramját is kontrollparaméterek (összetétel, hőmérséklet, nyomás) függvényében.

 

·         Fémes mágneses anyagok kutatása
 

Fémes mágnesekben a spin-polarizált elektronszerkezet meghatározása komoly kísérleti és elméleti feladat, amely elősegítheti tökéletesen spin polarizált vezetők célzott kutatását és szintézisét. Számos fémes rendszer esetén megmutattuk, hogy az egyszerű abszorpciós és a vele komplementer információkat szolgáltató magneto-optikai spektroszkópia együttes alkalmazásával a spin-polarizált sávszerkezet nagy pontossággal meghatározható.

·      Nagy magneto-optikai effektust mutató félvezetők
 

Ezen anyagcsalád széles körű alkalmazásra számíthat a MO adattárolás és optikai adatátvitel területén. A félvezető alapú információ technológiáknak köszönhetően a MO építőelemek (optikai izolátorok, MO hullámvezetők, stb.) is félvezető anyagúak kell legyenek az integrálhatóság kedvéért. A kutatások homlokterében lévő II-VI-os félvezetők mellett számos más félvezető anyag (III-V-ös félvezetők és más Co és Fe alapú mágneses félvezetők) ilyen irányú alkalmazáshatóságát vizsgáljuk.

 

·        Mágneses véralkotók optikai vizsgálata
 

A MO spektroszkópia a vér vastartalmának köszönhetően alkalmas lehet kóros vérelváltozások kimutatására. Ennek jó példája az ún. malária pigment, ami nem más, mint a vörösvértestek malaria kórokozók számára megemészthetetlen és mérgező része, melyet oldhatatlan kristályos formában a vérből kicsapnak. Ezek tipikusan micron méretű, hosszúkás krisztallitok, melyekben a vas magas spinű, paramágneses formában van. Azt találtuk, hogy a malaria pigment igen nagy érzékenységgel kimutatható mágnesesen indukált lineáris kettőstörése révén.

 

·         Fehérjék másodlagos szerkezetének kutatása cirkuláris kettőstörés spektroszkópiával
 

Fehérjék másodlagos szerkezetének vizsgálatára napjainkban elterjedten használják a cirkuláris kettőstörés spektroszkópiát az UV foton energia tartományban. A módszer nem igényel kristályosított fehérjéket (mint a klasszikus szerkezetmeghatározási módszerek) és kis anyagmennyiségek analízisére is alkalmas. A szélessávú MO spektrométer ezen célra is kiválóan alkalmas és a jövőben tervezzük a napjainkban (középinfravörös tartományban) felfedezett vibrációs cirkuláris kettőstörés kísérleti vizsgálatát is.