Die Magnetooptik ist ein Teilgebiet der Optik, das sich mit der Wechselwirkung von Licht mit Materie im magnetischen Feld beschäftigt. In Kurzform besteht die Wechselwirkung darin, dass durch ein extern angelegtes Magnetfeld ein Material doppelbrechend gemacht wird.

Geschichte

Die Geschichte der Magnetooptik begann 1845, als Michael Faraday eine Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht nach Durchstrahlung eines durchsichtigen Mediums parallel zu einem von außen angelegten Magnetfeld beobachtete (Faraday-Effekt).

1876 entdeckte John Kerr eine Drehung der Polarisationsebene von Licht, das an ferromagnetischen Metalloberflächen reflektiert wird (magnetooptischer Kerr-Effekt).

Eine weitere wichtige Entdeckung für die Magnetooptik ist der Zeeman-Effekt (1896), der aber erst mit der Entwicklung der Quantenmechanik erklärt werden konnte.

1908 stellte Woldemar Voigt eine umfassende Theorie der Magnetooptik im Rahmen der klassischen Elektrodynamik auf.

Grundlagen

Optische Effekte, die sich auf Reflexion und Absorption beschränken, werden im Rahmen der klassischen Elektrodynamik mit Hilfe des komplexwertigen Dielektrizitätstensors ε beschrieben.

Im Fall eines isotropen Mediums in Abwesenheit äußerer Felder hat ε identische Diagonalterme (${\displaystyle \varepsilon _{xx}=\varepsilon _{yy}=\varepsilon _{zz}}$), die Nichtdiagonalelemente sind alle Null. Diese spezielle Form des Tensors erlaubt es, ε wie einen Skalar zu behandeln.

In Anwesenheit eines äußeren Magnetfelds verändern sich die Diagonalelemente so, dass sie nicht mehr alle untereinander identisch sind, und es tauchen Nichtdiagonalelemente auf, die noch dazu asymmetrisch sind. Für die magnetooptischen Effekte sind dabei diese Nichtdiagonalterme des Tensors, die auch magnetooptische Konstanten genannt werden, von großer Wichtigkeit.

In einem Magnetfeld in z-Richtung hat der Dielektrizitätstensor eines in Abwesenheit eines magnetischen Felds isotropen Körpers folgendes Aussehen:

${\displaystyle \varepsilon ={\begin{pmatrix}\varepsilon _{xx}&\varepsilon _{xy}&0\\-\varepsilon _{xy}&\varepsilon _{yy}&0\\0&0&\varepsilon _{zz}\\\end{pmatrix}}}$,

wobei aufgrund der Annahme der Isotropie ${\displaystyle \varepsilon _{xx}=\varepsilon _{yy}}$ gilt. ${\displaystyle \varepsilon _{zz}}$ hat den Wert der skalaren Dielektrizitätskonstante, die der Körper in Abwesenheit eines Magnetfeldes hat. Die Nichtdiagonalelemente ${\displaystyle \varepsilon _{xy}}$ sind im Allgemeinen klein gegen die Diagonalelemente und linear vom Magnetfeld abhängig. ${\displaystyle (\varepsilon _{xx}-\varepsilon _{zz})}$ ist quadratisch vom Magnetfeld abhängig und klein gegen ${\displaystyle \varepsilon _{zz}}$.

Mit Hilfe des in der Kristalloptik beschriebenen mathematischen Formalismus erhält man durch Lösung der Wellengleichung für anisotrope Festkörper die Brechungsindizes und den Polarisationscharakter in diesem Medium:

• für Wellen, die sich parallel zum Magnetfeld ausbreiten, erhält man zwei zirkular polarisierte Wellen mit einem Brechungsindex ${\displaystyle n_{\pm }={\sqrt {\varepsilon _{xx}\pm i\varepsilon _{xy}}}}$ (${\displaystyle i}$ ist die imaginäre Einheit)
• für Wellen, die sich senkrecht zum Magnetfeld ausbreiten, erhält man als Lösung zwei linear polarisierte Wellen:
  • die erste Welle, die parallel zum Magnetfeld polarisiert ist, hat den Brechungsindex ${\displaystyle n_{||}={\sqrt {\varepsilon _{zz}}}}$
  • die zweite Welle, die senkrecht zum Magnetfeld polarisiert ist, hat den Brechungsindex ${\displaystyle n_{\perp }={\sqrt {\varepsilon _{xx}+{\frac {\varepsilon _{xy}^{2}}{\varepsilon _{xx}}}}}}$.

Magnetooptische Effekte

Technische Anwendungen

Die bekannteste Anwendung der Magnetooptik findet man in der Magneto Optical Disk (MOD). Diese wird mit Hilfe des magnetooptischen Kerr-Effekts ausgelesen.

Eine magnetische Druckfarbe von Seriennummern von Euro-Banknoten erlaubt ein magnetooptisches Lesen.

Weblinks

Einzelnachweise

1. ↑ J. Kerr: On the magnetisation of light and the illumination of magnetic lines of force. In: Rep. Brit. Ass. S. Band 5, 1876, S. 85. 
2. ↑ Woldemar Voigt: Magneto- und Elektrooptik. In: Mathematische Vorlesungen an der Universität Göttingen. Band 3. Teubner, Leipzig 1908. 
3. ↑ S. Paker, 1987 Webster's Biographical Dictionary. 1959