大学院理工学研究科 2004年度 物性物理学特論第6回 -磁気光学効果の電子論(2):量子論- 非常勤講師:佐藤勝昭 (東京農工大学工学系大学院教授) 復習コーナー 古典電子論 m d 2u dt 2 m du du m 02u q E B dt dt B (0,0, B) E E 0 exp i t u u0 exp(it ) m 2u imu m02u qE iu B m 2 i 02 x iqBy qEx iqBx m 2 i 02 y qE y m 2 i 02 z qEz 復習コーナー 電気分極Pを求める P=nquにより分極Pを求める nq 2 2 i 02 nq 2 ic Px E Ey x 2 2 m 2 i 2 2 2 m 2 i 2 2 2 0 c 0 c nq 2 ic nq 2 2 i 02 Py Ex Ey 2 2 m 2 i 2 2 2 m 2 i 2 2 2 0 c 0 c nq 2 1 Pz Ez 2 2 m i 0 c qB m サイクロトロン角振動数 復習コーナー 電気感受率を求める P=0Eにより電気感受率を求める。 Py 0 xy Ex xx E y Px 0 xx Ex xy E y Pz 0 zz Ez nq 2 2 i 02 xx m 0 2 i 2 2 2 2 0 c nq 2 ic xy m 0 2 i 2 2 2 2 0 c nq 2 1 zz 2 m 0 i 02 c qB m より、非対角成分は磁界に比例 復習コーナー 誘電率に変換する ij=ij+ijを用いて、誘電率テンソルに変換 nq 2 2 i 02 xx 1 m 0 2 i 2 2 2 2 0 c nq 2 ic xy m 0 2 i 2 2 2 2 0 c nq 2 1 zz 1 2 m 0 i 02 c qB m より、非対角成分は 磁界に比例 復習コーナー ローレンツの式 B=0なのでc=0を代入:Lorentzの分散式 nq 2 1 xx zz 1 2 m 0 i 02 xy 0 2 02 nq 2 xx ( ) 1 m 0 ( 2 02 ) 2 2 2 nq 2 xx ( ) m 0 ( 2 02 ) 2 2 2 質問コーナー電子が束縛されていてω0≠0の場合にγが 生じる具体的イメージがつかめない(H君) バネにつながった荷電粒子が振動するとき、熱 振動による散乱を受けたり、不純物と衝突した りによって、さまざまなダンピング項が働きます がそれをまとめてγで表したと考えてください。 復習コーナー ドルーデの式 c=0, 0=0とおく:Drude formula nq 2 1 xx zz 1 m 0 ( i ) xy 0 nq 2 1 xx ( ) 1 m 0 2 2 nq 2 ( ) xx m 0 ( 2 2 ) 負の誘電率 復習コーナー プラズマ振動数 Drudeの式で、ダンピング項を0としたとき、εの実数 部が0となる振動数を自由電子プラズマ振動数pとよ び下の式で求められる。 nq 2 1 xx ( ) 1 2 0 m 0 p p nq 2 m ダンピングのある場合のDrudeの式 をpを使って書き直すと 2 xx ( ) 1 ( ) xx p 2 2 2p ( ) 2 2 p 2p 2 においてゼロを横切る 質問コーナー金属中の電子が自由電子と見なせること がぴんと来ない(N君) 金属では、構成している原子が外殻電子を放出して 結晶全体に広がる電子の海を作っています。 この電子の海による遮蔽効果で、原子核の正電荷か らのクーロンポテンシャルは非常に弱められています。 このため、電子はあたかも自由電子のように振る舞う のです。実際、有効質量もほとんど自由電子質量と 一致すると言われています。 復習コーナー 金属結合 金属においては、原子同士が接近していて、外殻のs電子は互 いに重なり合い、各軌道は2個の電子しか収容できないので膨 大な数の分子軌道を形成する。 電子は、それらの分子軌道を自由に行き来し、もとの電子軌道 から離れて結晶全体に広がる。これを非局在化するという。 正の原子核と負の非局在電子の間には強い引力が働き、金属 の凝集が起きる。 この状態を指して、電子 の海に正の原子核が浮 かんでいると表現される。 http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/metallic.html 質問コーナー 自由電子とプラズマとの関係が分からない(A君) 金属は電子がたくさんありますが、全体としては中性 です。これは、電子による負電荷の分布の中心と原 子核の正電荷の中心が一致しているからです。 光の電界を受けて電子が+側に移動すると、-側に は正電荷が残されます。この結果電気分極が生じる のですが、このように正電荷と負電荷が空間的に分 離した状態をプラズマというのです。 電子の移動 + - + - + 質問コーナー 貴金属の選択反射の原因 光は電磁波の一種である。つまりテレビやラジオの電波 と同じように電界と磁界が振動しながら伝わっていく。 金属中に光がはいると金属中に振動電界ができる。この 電界を受けて自由電子が加速され集団的に動く。 電子はマイナスの電荷を持っているので、電位の高い方 に引き寄せられる。その結果電位の高い方にマイナスの 電荷がたまり、電位の低い側にプラスの電荷がたまって、 電気分極が起きる。 外から金属に光の電界が進入しようとすると、逆向きの 電気分極が生じて電界を遮蔽してしまって光は金属中に 入れないことを示す。光が入れないということは、いいか えれば、光が全部反射されてしまうということを意味する。 質問コーナー PtMnSb以外にもプラズマ振動による効果は見られるか(A君) Drudeの式の適用 出来る例としては、 金、銀、銅の反射ス ペクトルが挙げられ ます。 金によるプラズマエ ンハンス効果につい ては、Fe/Au, Fe/Cuの人工格子 の例があります。 これについては、第 12回の授業で触れ ます。 Kerr rotation (min) 実験結果 Fe/Cu=0.62 Experiment (a) Fe single layer Fe/Cu= 150/245 Fe surface 106/171 70/113 70/113 106/171 150/245 Cu surface Wavelength (nm) Fe/Cu=0.62 Experiment Cu surface Fe surface Reflectivity (%) Cu single layer Fe single layer (b) Fe/Cu=31/49 57/92 106/171 170/275 Wavelength (nm) 種々の層厚をもったFe/Cu 組成変調多層膜の磁気光 学スペクトルおよび反射ス ペクトル(実験値) 質問コーナー 金銀銅の反射スペクトル 波長表示 エネルギー表示 hJ scm s 6.62610 EeV EJ hJ s s -1 hJ sc m s -1 m -1 meC 34 2.998108 1240 nm109 1.6021019 nm 佐藤勝昭:金色の石に魅せられて 質問コーナー 貴金属の誘電率スペクトル 復習コーナー マグネトプラズマ共鳴 0=0,=0を代入 ij=-i0(ij-ij)によりに変換 p nq 2 1 xx 1 1 2 m 0 2 c 2 c 2 2 pc nq 2 ic xy i m 0 2 c 2 2 c 2 p nq 2 1 zz 1 1 2 m 0 2 2 2=p2+c2で ゼロを横切る マグネトプラズマ共鳴 xx i0 zz 1 xy i0 xy 2 c 2 2pc c 2 2 = cで発散 i 2p 0 zz i0 zz 1 2 0 i 2p 0 復習コーナー マグネトプラズマ共鳴 xx 1 xy i 2p 2p c 2 c 2 zz 1 N 2 xx i xy 1 2 c 2 2p 2 2p 2 c2 c 1 2p c 復習コーナー ホール効果(による記述) DCにおいては、→0とすることにより、次式を得る。xyはx方 向に電流が流れたときy方向に電圧が生じることを表しており、 まさにホール効果を記述するものである。 nq 2 q 2 2 0 xx 0 2 nq nq m c 2 m c 2 2 c 2 2 ( c / ) 2 1 nq 2 q c c / xy 0 2 c 2 nq 0 m c m c 2 2 ( c / ) 2 1 nq 2 1 q zz 0 nq nq 0 m m 復習コーナー ホール効果(による記述) 導電率テンソルを抵抗率テンソルに変換 xx 0 1 zz 0 1 ホール係数 0 / qB / m B xy 0 c 2 RH B 0 nq nq / m 0 0 1 / 0 RH B ˆ RH B 1 / 0 0 0 0 1 / 0 復習コーナー Feの磁気光学効果と古典電子論 nq 2 ic xy m 0 2 i 2 2 2 2 0 c 比誘電率の非対角成分の大きさ:最大5の程度 0 2eV , 0.1eV , キャリア密度 n 1022 cm 3 1028 m -3 と仮定 B=3000Tという非現実的な磁界が必要 スピン軌道相互作用によって初めて説明可能 磁気光学効果の量子論 磁気光学効果の量子論 電気分極と摂動論 時間を含む摂動論 誘電率の対角成分の導出 誘電率の非対角成分の導出 磁気光学効果の物理的説明 磁気光学スペクトルの形状 電気分極と摂動論 電気分極とは,「電界によって正負の電荷がず れることにより誘起された電気双極子の単位体 積における総和」 「電界の効果」を,電界を与える前の系(無摂動 系)のハミルトニアンに対する「摂動」として扱う。 「摂動を受けた場合の波動関数」を「無摂動系 の固有関数」の1次結合として展開。この波動 関数を用いて「電気双極子の期待値」を計算。 時間を含む摂動論(1) 無摂動系の基底状態の波動関数を0(r)で表し, j番目の励起状態の波動関数をj(r) で表す. 無摂動系のシュレーディンガー方程式 H 00(r) =00(r) (4.22) H 0j(r) = j Ej(r) 光の電界E(t)=E0exp(-it)+c.c. 摂動のハミルトニアン H’=er・E(t) (c.c.=共役複素数) 時間を含む摂動論(2) 摂動を受けた系のシュレーディンガー方程式 i r, t H r, t H 0 H r, t (4.23) t この固有関数を,無摂動系の(時間を含まない)固有関数 のセットで展開 r, t 0 (r ) exp(i 0 t ) c j (t ) j (r ) exp(i j t ) (4.24) j i j' この式を式(4.23)に代入し,無摂動系の波動関数につい て成立する式(4.22)を代入すると dc j ' (t ) dt j ' (r) exp i j 't H 0 (r ) exp( i0t ) c j ' (t ) exp( i j 't ) H j ' (r ) j' 時間を含む摂動論(3) i j' dc j ' (t ) dt j ' (r ) exp i j 't H 0 (r ) exp(i0t ) c j ' (t ) exp(i j 't ) H j ' (r ) j' 左から*j(r)をかけて,rについて積分すると i dc j (t ) dt j H 0 exp i j 0t e j r 0 E (t ) exp i j 0t (4.25) ここで e i r 0 e dr * j (r )r0 (r ) また j 0 j 0 また、励起状態間の遷移行列 eir j は無視した 時間を含む摂動論(4) i dc j (t ) dt j H 0 exp i j 0t e j r 0 E (t ) exp i j 0t 式(4.25)を積分することにより式(4.24)の展開係数cj(t)が 求められる. c xj (t ) i 1 0 e j x 0 E 0 x exp(i t ) cc.exp i j 0 t dt t eE x 0 1 exp i( j 0 )t 1 exp i ( j 0 )t 0 jx0 j0 j0 (4.26) この係数は,摂動を受けて,励起状態の波動関数が基底 状態の波動関数に混じり込んでくる度合いを表している. r, t 0 (r ) exp(i 0t ) c j (t ) j (r ) exp(i j t ) j 誘電率の対角成分の導出(1) 電気分極Pの期待値を計算 (入射光の角周波数と同じ成分 ) Px Nqx(t ) Nq * xdx cxj (t ) eEx 0 1 exp i( j 0 )t 1 exp i( j 00 )t j x0 j0 j0 Nq 0 x 0 j x 0 c xj (t ) exp i j 0 t 0 x j c xj * (t ) exp i j 0 t j j x0 2 Nq j 2 1 1 E (t ) j j 0 x 0 (4.27) Px ( ) xx ( ) 0 E x Nq 2 xx j x0 0 j 2 1 1 j 0 j 0 (4.28) 誘電率の対角成分の導出(1) 有限の寿命を考える:i の置き換えをす る。 2 Nq xx ( ) m j x 0 m 0 j 2 j 0 1 1 i j 0 i (4.31) Ne 2 1 f xj 2 m 0 j j 0 i 2 振動子強度 2 f xj 2 m j 0 j x 0 誘電率に変換 2 2 jo Ne xx ( ) 1 f xj m 0 j 2j 0 2 2 2 2 2i 2 4 2 2 (4.33) 誘電率の非対角成分の導出(1) 非対角成分:y方向の電界がEy(t)が印加されたと きの,分極Pのx成分の期待値 Px Nqx (t ) Nq * xdx j Nq j x 0 c yj (t ) expi j 0t cc. Nq 0 x 0 j x 0 c yj (t ) exp i j 0t 0 x j c yj * (t ) exp i j 0t j 1 E * y 0 exp(it ) E y 0 exp(it ) Nq j x 0 0 y j j0 j j0 2 xy ( ) Nq 2 j xy ( ) 0 y j j x0 j0 xy ( ) xy * ( ) 2 および xy * ( ) Nq 2 j 0x j j y0 j0 0x j j y0 Nq 2 0 y j j x 0 2 j j 0 j0 誘電率の非対角成分の導出(2) x x iy / 2 という置き換えをすると若干の近似のもとで 0x Nq 2 xy ( ) j0 2i j 0x 2 j j 2 0x j 2 2j 0 2 右および左円偏光により基底状態|0>から,励起状態|j>に遷移する確率 円偏光についての振動子強度 xy f jo m j 0 0 x j f j0 f j0 Nq 2 xy ( ) i 2 2m 0 j j 0 i 2 2 磁気光学効果の 量子論 磁化の存在→スピン状態の分裂 左右円偏光の選択則には影響しない スピン軌道相互作用→軌道状態の分裂 右(左)回り光吸収→右(左)回り電子運動誘起 大きな磁気光学効果の条件 遷移強度の強い許容遷移が存在すること スピン軌道相互作用の大きな元素を含む 磁化には必ずしも比例しない 電子分極のミクロな扱い 電界の摂動を受けた 2 Nq 2 波動関数 xx j 0 j x 0 0 j E + + - 1 x 0 2 2 Nq 10 0 102 2 2 無摂動系の 波動関数 2 2 2 j 0 2 20 2 x 0 2 2 20 1 |2> = + - 摂動を受けた 波動関数 = + +・・・・ + ・・ + + s-電子的 <0|x|1> p-電子的 無摂動系の固有関数で展開 |1> <1|x|0> |0> 円偏光の吸収と電子構造 px-orbital 2 2 0x 1 0x 2 Nq 2 xy ( ) 20 2 10 2 2 2i 10 20 2 py-orbital |2> Lz=+1 20- |1> 10- p+=px+ipy Lz=-1 20 10 p-=px-ipy 10は20より光エ ネルギーに近い |0> Lz=0 ので左回りの状 態の方が右回り s-like 状態より多く基底 状態に取り込ま れる スピン軌道相互作用の重要性 Jz=-3/2 Jz=-1/2 L=1 LZ=+1,0,-1 L=0 磁化なし 交換分裂 LZ=0 Jz=+1/2 Jz=+3/2 Jz=-1/2 Jz=+1/2 交換相互作用 +スピン軌道相互作用 反磁性型スペクトル Lz=-1 励起状態 0 Lz=+1 1 ”xy ’xy 2 1+2 基底状態 Lz=0 磁化の無いとき 磁化のあるとき 光子エネルギー 光子エネルギー 誘電率の非対角成分のピーク値 xy peak Ne 2 f SO 2 4m 0 鉄の場合:N=1028m-3, f0=1, so=0.05eV, 0=2eV, /=0.1eVを代入xy”|peak=3.5を得る 大きな磁気光学効果を持つ条件: ・光学遷移の振動子強度 f が大きい ・スピン軌道相互作用が大きい ・遷移のピーク幅が狭い 常磁性型スペクトル f=f+ - f励起状態 0 f+ f- 基底状態 磁化なし 磁化あり 誘 電 率 の 非 対 角 要 素 ’xy ”xy 光子エネルギー
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