SPIN-PHOTON INTERACTIONS IN MAGNETIC CRYSTALS, MAGNETO-OPTICAL AND RELATED EFFECTS

Résumé
La théorie générale des interactions spin-photon dans un système d'électrons couplés par un champ d'échange est reprise en introduisant le formalisme de seconde quantification. Dans la gamme des basses fréquences (cm, mm IR lointain) le couplage dipolaire magnétique induit une absorption à un photon et une diffusion " magnétique " à deux photons. Dans le premier cas, on montre que pour de faibles taux de relaxation, le rayonnement dipolaire magnétique des magnons uniformes peut produire des processus inverses magnon-photon avec des probabilités de transition si élevées dans certains cas que tous les photons incidents sont réfléchis par les magnons. Dans la gamme optique, à cause des couplages dipolaires magnétique et électrique, les cristaux magnétiques sont bigyrotropes et les interactions spin-photon sont des diffusions à deux photons. Nous montrons que les différentes interactions magnétooptiques qui apparaissent généralement comme des effets distincts sont en fait définis à partir d'Hamiltoniens " magnétique " et " électrique " d'interaction spin-photon. Les relations physiques et analytiques entre les diffusions magnétique et électrique d'une part et les diffusions élastiques (effets Faraday, Kerr et Cotton-Mouton) et inélastiques (effets Raman à 1 et 2 magnons) d'autre part apparaissent clairement. A partir des constantes magnéto-optiques déduites des expériences, nous déterminons les susceptibilités Raman à 1 et 2 magnons. Les origines microscopiques des interactions spin-photon sont discutées à partir des perturbations dues aux couplages spin-orbite et d'échange qui sont associés respectivement aux modèles à 1 et 2 spins ioniques. On montre que la diffusion élastique due à la paire de spins ioniques peut produire un effet Cotton-Mouton anormalement élevé.

Abstract
The general theory of the spin-photon interactions in systems of electrons coupled by exchange fields is reviewed from the second quantization formalism. In the low frequency range (cm, mm, far IR) the magnetic dipole coupling induces one-photon absorption and two-photons " magnetic " scattering. In the first case, we show that for low relaxation rates, the magnetic dipole radiation of the uniform magnons can produce reverse magnon-photon processes with transition probabilities so high in some cases that all the incident photons are reflected by the magnons. In optical range, due to both the magnetic and electric dipole couplings, the magnetic crystals are bigyrotropic and the spin-photon interactions are two-photons scatterings. We show that the different magneto-optical interactions which generally appear like distinct effects are in fact defined from a " magnetic " and an " electric " spin-photon interaction Hamiltonians. The physical and analytical relations between the magnetic and electric, and the elastic (Faraday, Kerr, Cotton-Mouton effects) and the inelastic (1- and 2-magnon Raman effects) scatterings appear clearly. From the magneto-optical constants deduced from experiments we determine the one- and two-magnon Raman susceptibilities. The microscopic origins of the spin-photon interactions are discussed from the spin-orbit and exchange perturbations associated with the one and two ionic spins models. It is shown that the elastic scattering due to the pair of ionic spins can produce an anomalous high Cotton- Mouton effect.