Kerr-Effekt-Messungen an flüssigem Co₈₀Pd₂₀

Ferromagnetische Struktur

Da nachgewiesen ist, dass sich eine magnetische Struktur in der Flüssigkeit ausbildet, stellt sich die Frage nach dem Aussehen dieser Struktur. Diese bildet sich aus, da der Ferromagnet versucht, seine freie Enthalpie zu minimieren. Das Streufeld ist der dominierende Faktor des magnetischen Beitrags und muss daher minimiert werden. Die Ausrichtung der Domänen und der Wände zwischen ihnen richtet sich dabei nach der Kristallanisotropie (s. Abbildung, Typische Landau-Lifschitz-Struktur).

Genau wie bei einem festen Ferromagneten erwarten wir auch von der spontanen magnetischen Ordnung in der Flüssigkeit das Bestreben, das Streufeld zu minimieren. Da es sich bei der flüssigen Phase jedoch um ein völlig relaxiertes System handelt, herrschen keine Anisotropien vor, die die Ausrichtung und Begrenzung von Domänen bestimmen könnten.
 

Erste Rechnungen zu einer Magnetisierungsstruktur in der Flüssigkeit wie den hier behandelten Proben haben B. Groh und S. Dietrich vorgenommen. Überträgt man das Ergebnis dieser Rechnungen auf unsere Proben, so erhält man eine Vortextruktur, die der Abbildung rechts entspricht. Die Momente sind an der Oberfläche parallel zu einem imaginären Äquator angeordnet. In der Polachse verlaufen sie jedoch parallel zu dieser (d.h. von Nord nach Süd). Im Inneren der Proben dreht sich die Ausrichtung der Spins von der am Äquator kontinuierlich zur Polausrichtung.

Zur Untersuchung unserer Probe sind aufgrund der Unterkühlung nur berührungsfreie Methoden möglich. Um die magnetische Struktur an der Oberfläche zu messen, bietet sich daher der so genannte MOKE (Magneto-Optic Kerr-Effekt) an. Die Drehung der Polarisationsebene von Licht bei der Reflexion an magnetisierten Oberflächen wird als Magnetooptischer Kerr-Effekt bezeichnet. Die Polarisationsebene des reflektierten Lichtes wird um den Kerr-Winkel gedreht, der proportional zur Magnetisierung des Materials ist.

Anlage zur Kerr-Effekt-Messung

Die Polarisationsebene des Lasers steht senkrecht zur Einfallsebene. Der Analysator ist um 45° zu der Polarisationsrichtung des Lasers gedreht. Man erhält zwei gleichgroße Komponenten der Polarisation, die über die Dioden in Spannungssignale umgewandelt werden. Diese werden dann im Computer ausgelesen und verglichen.

Messmethode

Die beiden Signale werden durch einen Differenzverstärker aufbereitet. Die Amplitudendifferenz dieser Signale ist ein Maß  für die Drehung der Polarisationsebene und damit auch für die Magnetisierung.

Jede Signalamplitudendifferenz zwischen den beiden Signalen ergibt einen Messpunkt. Es werden Messreihen mit alternierender Einstellung des Magnetfeldes +B, 0, -B  aufgenommen.

Kerr-Effekt-Messungen

Abhängigkeit des Kerr-Winkels von der Magnetisierung
Es wurden Messungen mit verschiedenen Magnetfeldstärken durchgeführt. Die Kalibrierung erlaubt eine Zuordnung jeder Magnetisierung zu einem bestimmten Kerr-Winkel. Diese lineare Abhängigkeit war im paramagnetischen Bereich zu erwarten.

Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung
Zusätzlich zu der magnetfeldabhängigen Messung wurden temperaturabhängige Messungen durchgeführt. Dabei wurde der Kerr-Winkel in einem Temperaturbereich von T = 1516 K bis T = 1266 K ermittelt.. In Abb. rechts ist deutlich zu erkennen, wie der Kerr-Winkel in der Nähe von T_c stark bis zu einem Winkel von 0,078 Grad ansteigt. Diese Messungen, die alle bei B = 10 mT vorgenommen wurden, zeigen einen Anstieg der Magnetisierung in der Nähe von T_c. Die Curie-Temperatur der flüssigen Phase liegt bei T = 1251 K. Die beiden verschieden farbigen Punkt stellen zwei unabhängige Messreihen dar.

Kerr-Winkel

Anpassung einer Curie-Weiss-Beziehung an die Kerr-Winkelmesskurven und an die makroskopische Magnetisierung.  Im Bereich der Curie -Temperatur wird ein Kerr-Winkel von ca. 0,15° erwartet. Messungen bei tieferen Temperaturen mit einem modifizierten zeitlichen Ablauf sind in Vorbereitung.