1.3. Магнитные свойства ферримагнитных гранатов и механизмы переключения
В общих чертах гранаты представляют собой смесь кислорода с различными элементами, такими, как редкоземельные элементы и металлы. Ионы этих элементов образуют особый вид кристаллических решеток, называемый решеткой типа граната. Хорошо известные природные гранаты — пироп и альмандин — состоят из кальция, алюминия, кремния и небольшого количества железа, марганца или, например, титана. Обширный обзор по гранатам представлен в [12].
Существенно, что часть названных компонентов может быть заменена другими химическими элементами, что значительно расширяет число возможных комбинаций. Обсуждаемые в данной главе искусственные магнитооптические гранаты состоят из переходных металлов — железа и гадолиния, при этом часть этих химических элементов замещена висмутом и галлием. Типичный состав магнитооптического граната следующий: 
Степени замещения (коэффициенты 
) сильно влияют на магнитные и оптические свойства и используются для модификации оптических свойств материала, а, следовательно, оптимального подбора материалов.
Монокристаллические искусственные гранаты выращивают в бульках из расплава по методу Чохральского. В магнитооптическом модуляторе используются тонкие (5—10 мкм) пленки гранатов. Тонкие пленки гранатов выращиваются эпитаксиально на немагнитных гранатовых подложках при погружении их в жидкий расплавленный материал. Подложки вырезаются из булек с наращенным материалом и полируются. В настоящее время стандартными являются подложки размером до 7,5 см (толщиной ~500нм). Чтобы получить высококачественную монокристаллическую пленку без внутренних напряжений, необходимо, чтобы периоды решеток подложки и пленки (обычно 1,246 нм) совпадали. Выполнение данного условия иногда
приводит к усложнению состава подложки, как, например, используемого в 
в сочетании с вышеупомянутым гадолиниево-галлиевым гранатом.
1.3.1. Ферримагнетизм
В магнитооптических модуляторах используются гранатовые пленки ферримагнитного типа. Ферримагнетизм обусловлен магнитными дипольными моментами ионов железа и гадолиния, расположенных в определенных узлах решетки граната (например, ионы 
узлах октаэдра и тетраэдра, 
в узлах додекаэдра). Дипольные моменты, создаваемые спинами электронов в этих ионах, обусловлены квантовомеханическими силами, ориентированными параллельно и антипараллельно друг к другу, в сумме дающими результирующую намагниченность (магнитный момент на единицу объема) 
(рис. 1.1) [13].
В дополнение к этому имеется одноосная анизотропия, заставляющая результирующую намагниченность ориентироваться или параллельно, или антипараллельно нормали к пленке (рис. 1.1). Анизотропия возникает в основном в процессе роста вследствие деформации или напряжений в пленке. В теории магнетизма влияние анизотропии описывают полем анизотропии 
. Предполагается, что это фиктивное магнитное поле присутствует в модели материала вместо физической анизотропии и определяется тем условием, что оно удерживает намагниченность, ориентированную вдоль выделенной оси с той же силой, как и анизотропия в реальных материалах. Оно ориентировано параллельно нормали 
к пленке, если намагниченность имеет компоненту, параллельную нормали, и соответственно противоположное направление — в противном случае (см. рис. 1.1). В зависимости от состава материала поле анизотропии составляет по порядку величины от 10 до 1000 кА/м [14].
