Kerrphotographie

Grundlagen: Die Kerrphotographie erlaubt die Sichtbarmachung magnetischer Zustände. Bei der Reflektion an der Oberfläche eines magnetisierbaren Materials wird die Polarisations eines Lichtdstrahls gedreht sodass durch diese Drehung auf die Magnetisierung geschlossen werden kann. Die Magnetisierbarkeit der ferromagnetischen Materialien (z.B. Eisen) durch ein äußeres Magnetfeld beruht auf die kollektive Ausrichtung kleiner Bereiche, die sogenannten Weiß'schen Bereiche oder magnetische Domänen. Nach der Abschaltung des äußeren Feld wird diese Ordnung wieder aufgehoben und die Domänen nehmen unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen ein sodaß das Material insgesamt unmagnetisch erscheint. Mit Hilfe der Kerrphotographie können nun diese Domänen durch Polarisationsdrehung sichtbar gemacht werden. Die Drehung der Polarisationsebene ist mit einigen Winkelminuten aber sehr klein sodass für einen sichtbaren Effekt bestimmte experimentelle Vorkehrungen getroffen werden müssen.

Aufbau: Der Aufbau des Experimentes ist auf dem rechten Bild skiziert. Das Licht einer Lampe wird mit einer Kollektorlinse auf die Probe, eine möglichst glatte Schicht aus ferromagnetischem Material (z.B. Eisen, Nickel, Kobalt oder entsprechende Legierungen) gerichtet und die Probenoberfläche mit einer Kamera abgebildet. Vor und hinter der Probe befinden sich zwei, auf maximale Auslöschung gestellte d.h. gekreuzte Polarisationsfilter. Durch die Drehung der Polarisationsebene durch den magnetooptischen Kerreffekt werden die Domänen durch Aufhellung sichtbar. Voraussetzung ist eine sehr hohe Auslöschung des Lichtes ohne Kerrdrehung. Zum Einen wird dies durch eine günstige Einstrahlrichtung und zum Anderen durch gute Polarisationsfilter gewährleistet.

Gut bewährt haben sich fotografische lineare Polfilter die einen ausreichend hohen Sperrgrad und gute optische Eigenschaften haben. Da aber die meisten Polfilter im nahen Infraroten Bereich des Spektrums schlechte Eigenschaften (siehe rechte Grafik) haben und die üblichen CCD-Kameras in diesem Bereich eine hohe Empfindlichkeitaufweisen werden diese Bereiche durch ein Grünfilter ausgeblendet.
Zur Magnetisierung der Probe legt man diese zwischen die Pole eines Elektromagneten. Zur Erzeugung großer Domänen wird die Probe mit einen 50Hz Wechselfeld aufmagnetsiert und dann der Erregerstrom durch die Magnetspule zurück gefahren und so die Probe entmagnetisiert. Bei richtiger Einstellung der beiden Polfilter werden dann die unregelmäßig geformten magnetischen Domänen sichtbar.

Einen höheren Kontrast erhält man mit Diffrenzbildern. Dazu wird die Probe mit einem Gleichfeld bis zur Sättigung magnetisiert und ein Referenzbild aufgenommen.
Anschließend wird die Schicht mit einem abnehmenden Wechselfeld entmagnetisiert und das Domänenbild gespeichert. Das Differenzbild aus Referenz- und Domänenbild zeigt die Domänen mit hohem Kontrast und Störungen durch Oberflächendefekte und unregelmäßige Beleuchtung werden stark unterdrückt.

Für die gezeigten Bilder wurde ein aufgedampfter, circa 20 nm dicker Permalloyfilm (80%Ni, 20%Fe) verwendet. Ähnliche Ergebnisse erhält man mit Nickel-, Eisen- oder Kobaltschichten. Der rechte Flashfilm zeigt das dynamische Entstehen und Verschwinden vder magnetischen Domänen durch angelegte Magnetfelder.

Man sieht das die Domänen sehr bizarre Muster bilden die in ihrer Form an fraktale Strukturen erinnern. Die Formen ändern sich wenn die Magnetisierung feiner Strukturen untersucht werden. Diese Strukturen wurden hergestellt indem beim Aufdampfen der Filme feine Gitter als Masken verwendet wurden. sodass einzelne. kleine metallische Flächen auf dem Glassubtrat entstehen. Die Bilder unten zeigen die Magnetisierung von quadratischen Kobaltschichten mit abnehmender Fläche

>>Auf das rechte Animated GIF-Bild klicken um den MP4-Film zu sehen

Bei 400µm großen Quadraten kommen nur zwei Magnetisierungsrichtungen vor. Mit dem äußeren Feld (weißer Pfeil) und entgegengesetzt dazu (schwarzer Pfeil)

Bei 200 µm Größe sieht man auch Magnetsierungen quer zum äußeren Feld (gelber Pfeil)

Noch kleinere, 50 µm Quadrate zeigen das sogenannte Landau Muster, bei dem jede einzelne Fläche ein in in sich geschlossenes Feld ausbildet

Werden die Lampe durch einen Laser und die CCD-Kamera durch eine passende Fotodiode ersetzt können auch quantitative Untersuchungen durchgeführt werden. Zur Messung der Hystereseschleife werden die Magnetspulen mit einem dreieckförmigen Strom angesteuert und dabei der Fotostrom der Diode aufgezeichnet. Am Besten wird die Messung mit einem Computer über einen passenden A/D und D/A-Wandler unternommen. Die rechts gezeigte Hysteresekurve wurde aus zehn einzel gemessenen Kurven gemittelt. Die unteren Kurven zeigen die Hysterese eines Permalloy- und eines Kobaltfilms. Der Schnittpunkt der Kurve mit der X-Achse wird als Koerzitivfeldstärke H_k des Materials bezeichnet und diese hat für unterschiedliche Materialien verschiedene Werte.