ОСНОВЫ МАГНИТНО-ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Educational Research in Universal Sciences ISSN: 2181-3515 VOLUME 4 | SPECIAL ISSUE 12 | 2025 https://t.me/Erus_uz Multidisciplinary Scientific Journal October, 2025 57 DOI: https://10.5281/zenodo.17312388 ОСНОВЫ МАГНИТНО-ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Курбанов Мирзааҳмад Ўзбекистон Миллий университети профессори Е-маил: [email protected] Малышева Мария Евгеньевна Солихова Муслима Боходур кизи Национальный Университет Узбекистана, Факультет Физики Е-маил: [email protected] АННОТАЦИЯ Магнитно-оптическая спектроскопия (МОС) представляет собой семейство спектроскопических методов, основанных на взаимодействии света с веществом в присутствии магнитного поля. Данные методы позволяют получать уникальную информацию об электронном строении, магнитных свойствах и динамических процессах в различных материалах, включая полупроводники, магнитные материалы, биологические молекулы и наноструктуры. В данной статье представлен обзор основных принципов, методов и применений МОС. Рассмотрены ключевые магнитно-оптические эффекты – эффект Фарадея, эффект Коттона-Мутона, магнитный круговой дихроизм (МКД) и магнитный линейный дихроизм (МЛД). Обсуждены применения МОС в различных областях науки и техники, включая исследование магнитных материалов, определение концентрации биомолекул, изучение спиновой динамики. Ключевые слова: Магнитно-оптическая спектроскопия, эффект Фарадея, эффект Коттона-Мутона, магнитный круговой дихроизм, магнитный линейный дихроизм, спектроскопия, магнетизм, синхротронное излучение. Educational Research in Universal Sciences ISSN: 2181-3515 VOLUME 4 | SPECIAL ISSUE 12 | 2025 https://t.me/Erus_uz Multidisciplinary Scientific Journal October, 2025 58 FUNDAMENTALS OF MAGNETO-OPTICAL SPECTROSCOPY Kurbanov Mirzaahmad Oʻzbekiston Milliy universiteti professori E-mail: kurbanov1[email protected] Malisheva Mariya Evgenyevna, Solixova Muslima Boxodur qizi National University of Uzbekistan Faculty of Physics E-Mail: [email protected] ABSTRACT Magnetic optical spectroscopy (MOS) is a family of spectroscopic methods based on the interaction of light with matter in the presence of a magnetic field. These methods allow us to obtain unique information about the electronic structure, magnetic properties, and dynamic processes in various materials, including semiconductors, magnetic materials, biological molecules, and nanostructures. This article provides an overview of the basic principles, methods, and applications of MOS. The key magnetic-optical effects are considered – the Faraday effect, the Cotton-Mouton effect, magnetic circular dichroism (MCD) and magnetic linear dichroism (MLD). The applications of MOS in various fields of science and technology, including the study of magnetic materials, determination of biomolecule concentration, and the study of spin dynamics, are discussed. Keywords: Magnetic optical spectroscopy, Faraday effect, Cotton-Mouton effect, magnetic circular dichroism, magnetic linear dichroism, spectroscopy, magnetism, synchrotron radiation. ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION Магнитно-оптическая спектроскопия (МОС) – это мощный и универсальный метод исследования свойств вещества, объединяющий в себе преимущества оптической спектроскопии и магнетометрии. МОС изучает изменение оптических свойств материала под воздействием внешнего магнитного поля. В отличие от обычной спектроскопии, которая анализирует взаимодействие света с веществом в отсутствие внешних воздействий, МОС Educational Research in Universal Sciences ISSN: 2181-3515 VOLUME 4 | SPECIAL ISSUE 12 | 2025 https://t.me/Erus_uz Multidisciplinary Scientific Journal October, 2025 59 позволяет получить уникальную информацию об электронном строении, магнитных свойствах и динамических процессах в различных материалах. Принцип МОС основан на том, что магнитное поле изменяет энергетические уровни электронов в веществе, что, в свою очередь, влияет на его оптические свойства. Эти изменения проявляются в виде таких различных магнитно-оптических эффектов как вращение плоскости поляризации света (эффект Фарадея), изменение показателя преломления (эффект КоттонаМутона), различие в поглощении света с левой и правой круговой поляризацией (магнитный круговой дихроизм – МКД) и различие в поглощении света с линейной поляризацией, параллельной и перпендикулярной магнитному полю (магнитный линейный дихроизм – МЛД). МОС применяется для исследования широкого круга материалов, от полупроводников и магнитных материалов до биологических молекул и наноструктур. Этот метод позволяет получать информацию об электронном строении, магнитных фазовых переходах, спиновой динамике, молекулярной ориентации и других важных свойствах вещества. Актуальность развития МОС обусловлена возрастающим интересом к разработке новых магнитных материалов, оптоэлектронных устройств и сенсоров, а также к изучению фундаментальных свойств вещества на микроскопическом уровне. ЛИТЕРАТУРА И МЕТОДОЛОГИЯ / METHODS История магнитно-оптической спектроскопии начинается в 1845 году, когда Майкл Фарадей обнаружил вращение плоскости поляризации света при прохождении его через стекло, помещенное в магнитное поле [7, с. 692]. Это явление, получившее название эффект Фарадея, стало первым примером взаимодействия света и магнетизма. В конце XIX – начале XX веков были открыты другие магнитно-оптические эффекты, один из них эффект Коттона-Мутона (1902 г.). Эффект КоттонаМутона заключается в изменении показателя преломления вещества при воздействии магнитного поля [1, с. 241]. В середине XX века с развитием квантовой механики и теории твердого тела было разработано теоретическое описание магнитно-оптических эффектов, основанное на учете электронного строения вещества и его взаимодействия с магнитным полем. Были установлены связи между магнитно-оптическими эффектами и такими свойствами вещества, как электронная структура, магнетизм, спиновая динамика и молекулярная ориентация [6, с. 237]. Educational Research in Universal Sciences ISSN: 2181-3515 VOLUME 4 | SPECIAL ISSUE 12 | 2025 https://t.me/Erus_uz Multidisciplinary Scientific Journal October, 2025 60 В последние десятилетия с развитием лазерной техники, электроники и компьютерных технологий магнитно-оптическая спектроскопия получила широкое распространение в различных областях науки и техники. Были разработаны новые методы регистрации магнитно-оптических спектров, например, модуляционная спектроскопия, спектроскопия синхротронного излучения и спектроскопия с высоким временным разрешением. РЕЗУЛЬТАТЫ / RESULTS Данная статья представляет собой обзор литературы, посвященной основам магнитно-оптической спектроскопии. Был проведен анализ результатов исследований, представленных в отобранных статьях, с целью выявления общих закономерностей и противоречий в данных, а также синтез данных для формирования целостного представления об основах магнитно-оптической спектроскопии. ОБСУЖДЕНИЕ / DISCUSSION Магнитно-оптическая спектроскопия предоставляет уникальную информацию об электронном строении и магнитных свойствах вещества, которая недоступна другими методами. Основные магнитно-оптические эффекты, такие как эффект Фарадея, эффект Коттона-Мутона, МКД и МЛД, позволяют исследовать различные аспекты взаимодействия света с веществом в присутствии магнитного поля. Эффект Фарадея, одно из фундаментальных явлений магнитооптики, представляет собой «вращение плоскости поляризации электромагнитного излучения, в частности света, при его прохождении через вещество, находящееся под воздействием статического магнитного поля, направленного вдоль распространения света» [5, с. 623]. Обнаруженный Майклом Фарадеем в 1845 году, этот эффект стал первым экспериментальным доказательством связи между светом и магнетизмом, открыв новую эпоху в изучении свойств вещества и взаимодействии электромагнитных волн с материей. Суть эффекта заключается в том, что линейно поляризованный свет, представляющий собой суперпозицию двух циркулярно поляризованных волн с противоположными направлениями вращения, при прохождении через среду в магнитном поле испытывает различное преломление для этих волн. Это различие в показателях преломления приводит к разной скорости распространения левои правоциркулярно поляризованных компонент света, что, в свою очередь, вызывает сдвиг фаз между ними. В результате, плоскость поляризации линейно Educational Research in Universal Sciences ISSN: 2181-3515 VOLUME 4 | SPECIAL ISSUE 12 | 2025 https://t.me/Erus_uz Multidisciplinary Scientific Journal October, 2025 61 поляризованного света поворачивается на некоторый угол, пропорциональный напряженности магнитного поля и длине пути, пройденного светом в веществе. Угол поворота плоскости поляризации, характеризующий эффект Фарадея, зависит от свойств вещества, длины волны света и напряженности магнитного поля. Количественно эффект описывается законом Фарадея, который устанавливает линейную зависимость угла поворота от напряженности магнитного поля и длины пути в веществе, а также от константы Верде, характеризующей магнитооптические свойства конкретного материала при определенной длине волны. Эта константа, в свою очередь, зависит от электронного строения вещества и его способности взаимодействовать с магнитным полем. Важно отметить, что эффект Фарадея наблюдается в различных средах, включая твердые тела, жидкости и газы, хотя величина вращения плоскости поляризации может значительно варьироваться в зависимости от свойств вещества и условий эксперимента. Например, в парамагнитных и диамагнитных материалах эффект Фарадея обычно слаб, в то время как в ферромагнитных и антиферромагнитных материалах он может быть значительно более выраженным. Эффект Коттона-Мутона, представляющий собой один из важнейших магнитооптических явлений, заключается в «возникновении двойного лучепреломления в изотропных средах (жидкости и газы) под воздействием внешнего статического магнитного поля, приложенного перпендикулярно направлению распространения света» [3, с. 263]. В отличие от эффекта Фарадея, где наблюдается вращение плоскости поляризации света, в эффекте КоттонаМутона происходит изменение показателя преломления среды для света, поляризованного параллельно и перпендикулярно направлению магнитного поля. Это явление, открытое французскими физиками Эме Коттоном и Анри Мутоном в начале XX века, обусловлено анизотропией, индуцируемой магнитным полем в среде, что приводит к различной скорости распространения света с разной поляризацией. В результате возникает разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами, проходящими через среду, что проявляется в виде двойного лучепреломления. Природа эффекта Коттона-Мутона связана с ориентацией молекул или частиц в среде под воздействием магнитного поля. Молекулы, обладающие анизотропной магнитной восприимчивостью, стремятся ориентироваться таким образом, чтобы ось их максимальной магнитной восприимчивости была параллельна направлению магнитного поля. Величина двойного Educational Research in Universal Sciences ISSN: 2181-3515 VOLUME 4 | SPECIAL ISSUE 12 | 2025 https://t.me/Erus_uz Multidisciplinary Scientific Journal October, 2025 62 лучепреломления, возникающего в эффекте Коттона-Мутона, пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля, что отличает его от эффекта Фарадея, где угол поворота плоскости поляризации пропорционален первой степени напряженности магнитного поля. Этот квадратичный характер зависимости обусловлен тем, что ориентация молекул в магнитном поле пропорциональна квадрату их магнитной анизотропии. Ю.Э. Самошкина, утверждает, что «магнитный круговой дихроизм (МКД) отражает различие в поглощении света с правой и левой круговой поляризацией веществом, находящимся под воздействием внешнего магнитного поля, направленного вдоль направления распространения света» [4, с. 247]. В отличие от обычной спектроскопии кругового дихроизма, которая изучает различие в поглощении циркулярно поляризованного света хиральными молекулами в отсутствие магнитного поля, МКД проявляется в любых веществах, помещенных в магнитное поле, независимо от их хиральности. Этот эффект обусловлен тем, что магнитное поле изменяет энергетические уровни электронов в веществе, что приводит к разной вероятности поглощения света с различной циркулярной поляризацией. Так, МКД является чувствительным методом исследования электронного строения и магнитных свойств вещества, позволяющим получать информацию о спиновой поляризации, симметрии электронных состояний и магнитных взаимодействиях. Физическая природа МКД заключается в том, что свет с правой и левой циркулярной поляризацией взаимодействует с электронами в веществе поразному. Под воздействием магнитного поля энергетические уровни электронов расщепляются, что приводит к изменению частот переходов между этими уровнями. Свет с правой и левой циркулярной поляризацией вызывает переходы между различными подуровнями расщепленных энергетических уровней, что приводит к различной вероятности поглощения света с разной циркулярной поляризацией. Величина МКД пропорциональна напряженности магнитного поля и зависит от свойств вещества, таких как электронная структура, магнитная восприимчивость и спиновая поляризация. Спектры МКД, представляющие собой зависимость разности поглощения света с правой и левой циркулярной поляризацией от длины волны света, содержат информацию об энергетических уровнях электронов в веществе и о характере переходов между этими уровнями. В.А. Кизель отмечает, что «магнитный линейный дихроизм (МЛД) проявляется как различие в поглощении света с линейной поляризацией, ориентированной параллельно и перпендикулярно направлению внешнего Educational Research in Universal Sciences ISSN: 2181-3515 VOLUME 4 | SPECIAL ISSUE 12 | 2025 https://t.me/Erus_uz Multidisciplinary Scientific Journal October, 2025 63 магнитного поля, приложенного к исследуемому образцу» [2, с. 180]. В отличие от магнитного кругового дихроизма (МКД), который требует циркулярно поляризованного света и возникает вследствие расщепления энергетических уровней электронов в магнитном поле, МЛД возникает из-за анизотропии поглощения линейно поляризованного света в магнитно упорядоченных материалах или в системах, где молекулы или наночастицы имеют преимущественную ориентацию относительно магнитного поля. Этот эффект позволяет изучать магнитную анизотропию, ориентацию молекул, доменную структуру в ферромагнетиках и другие свойства, связанные с ориентационным порядком в веществе. Физическая природа МЛД тесно связана с анизотропией электронной структуры материала под воздействием магнитного поля. В магнитно упорядоченных материалах, например, в ферромагнетиках, электроны испытывают спин-орбитальное взаимодействие, которое приводит к зависимости энергии электронов. Под действием внешнего магнитного поля происходит выстраивание магнитных моментов атомов в определенном направлении, что приводит к анизотропии электронной плотности и, следовательно, к различным коэффициентам поглощения для света с линейной поляризацией, параллельной и перпендикулярной направлению намагниченности. В системах, где молекулы или наночастицы обладают анизотропной формой или электрической восприимчивостью, магнитное поле может вызывать их преимущественную ориентацию, что также приводит к анизотропии поглощения линейно поляризованного света. Для регистрации магнитно-оптических спектров используются различные экспериментальные методы. Модуляционная спектроскопия позволяет повысить чувствительность измерений и уменьшить влияние шума [8, с. 29]. Спектроскопия синхротронного излучения позволяет проводить измерения в широком диапазоне длин волн, от инфракрасного до рентгеновского. Спектроскопия с высоким временным разрешением позволяет изучать динамические процессы в веществе с временным разрешением до фемтосекунд. МОС находит широкое применение в различных областях науки и техники. В материаловедении МОС используется для исследования магнитных материалов, полупроводников, наноструктур и других веществ. В физике МОС используется для изучения электронного строения, магнитных фазовых переходов, спиновой динамики и других фундаментальных свойств вещества. В химии МОС используется для изучения молекулярной ориентации, определения Educational Research in Universal Sciences ISSN: 2181-3515 VOLUME 4 | SPECIAL ISSUE 12 | 2025 https://t.me/Erus_uz Multidisciplinary Scientific Journal October, 2025 64 хиральности молекул и исследования химических реакций. В биологии и медицине МОС используется для определения концентрации биомолекул, изучения взаимодействия лекарственных препаратов с клетками и разработки новых методов диагностики заболеваний. ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION Магнитно-оптическая спектроскопия является мощным и универсальным методом исследования свойств вещества, основанным на взаимодействии света с веществом в присутствии магнитного поля. МОС позволяет получать уникальную информацию об электронном строении, магнитных свойствах и динамических процессах в различных материалах. Развитие новых методов регистрации магнитно-оптических спектров и расширение области применений МОС открывает новые возможности для исследования фундаментальных свойств вещества и разработки новых технологий. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: (REFERENCES) 1. Бимс Дж. В. (1933). Двойное лучепреломление в электрическом и магнитном поле // Усп. физ. паук. Т. 13, № 2. С. 209-252. 2. Кизель В. А. (1988). Дихроизм // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, — Т. 1. — 704 с. 3. Константинова А.Ф., Головина Т.Г., Константинов К.К. (2025). // Кристаллография. Т. 59. № 4. С. 509. 4. Самошкина, Ю. Э. (2024). Магнитный круговой дихроизм оксидных плёнок: изучение электронных, магнитных и зарядовых состояний / Ю. Э. Самошкина, А. В. Черниченко // Приборы и методы измерений. – № 3. – С. 240-247. 5. Сивухин Д.В. (2006). Общий курс физики: Учеб. пособие для вузов. В 5 т. Т. IV. Оптика. -3-е изд., стер. - М.: ФИЗМАТЛИТ, - 729 с 6. Смоленский Г.А. (1974). Физика магнитных диэлектриков. — Л.: Наука. Ленинград. Отд.,. — 454 с. 7. Уханов Ю. И. (1973). Магнитооптический эффект Фарадея в полупроводниках // УФН. Т. 109. С. 667-694. 8. Author. (2003). Determination of the band diagram of the semiconductor laser structure by optical modulation spectroscopy methods// Europhysics Conference Abstracts. 328 p.