Szczytko_III_prac_fotoniki.

Dr hab. Jacek Szczytko
III pracownia fotoniki
Badanie właściwości optycznych ferrofluidów
Związki wykazujące duże efekty magnetooptyczne budzą zainteresowanie ze względu na potencjalne
zastosowania w optyce jako migawki, przełączniki, strojone płytki falowe itp. [1,2]. Idealne do takich
zastosowań są materiały magnetyczne: magnetyczna natura tych związków sprawia, że stosunkowo
małe zewnętrzne pole magnetyczne indukuje dużą optyczną anizotropię liniową i kołową. Wśród
materiałów magnetycznych wiele uwagi poświęcono ferrofluidom (cieczom ferromagnetycznych)
czyli roztworom nanocząstek magnetycznych w niemagnetycznym ośrodku [3-6].
Ferrofluidy przyciągają szczególne zainteresowanie ze względu na ich zastosowania w biologii i
medycynie. Za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego można stosunkowo łatwo manipulować
ferrofluidami, a tym samym mogą być one stosowane do precyzyjnego dostarczania leku oraz w tzw.
hipertermii (patrz np [7,8] i odnośniki tam zawarte). Można je też wykorzystać w urządzeniach
optycznych [9], takich strojone płytki światłodzielące [10], przestrajalne siatki dyfrakcyjne [11]
interferometry [12] i optyczne przełączniki logiczne [13]. Ferrofluidy są również stosowane w optyce
światłowodowej – wykorzystane jako pokrycie zewnętrzne – jako modulatory, filtry optyczne i
czujniki [14,15]. Ostatnio, doniesiono także o wykonaniu z ferrofluidu magnetycznego rdzenia
światłowodu [16].
Cechą charakterystyczną ferrofluidów jest zjawisko silnej polaryzacji magnetycznej pod wpływem
zewnętrznego pola magnetycznego. Student w ramach ćwiczenia wykona pomiary efektu Faradaya
[17] i efektu Cottona-Moutona [18] na zawiesinie nanocząstek ferromagnetycznych w funkcji
długości fali i natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Analiza wyników pozwala na
oszacowanie namagnesowania nanocząstek i pośrednio wyznaczenie ich rozmiarów. W ramach
ćwiczenia możliwe jest wykonanie syntezy nanocząstek ferromagnetycznych wg przepisu podanego
w literaturze.
Układ eksperymentalny do badań dwójłomności indukowanej polem magnetycznym (fot. A. Sarnecki)
Opiekun: dr hab. Jacek Szczytko
Literatura:
[1] W. Luo, T. Du, and J. Huang, Phys. Rev. Lett. 82, 4134 (1999).
[2] J. W. Seo, S. J. Park, and K. O. Jang, J. Appl. Phys. 85, 5956 (1999).
[3] S. Odenbach (Ed.), Colloidal Magnetic Fluids: Basics, Development and Application of Ferrofluids,
Lect. Notes Phys. 763, (Springer, Berlin Heidelberg 2009); S. Odenbach (Ed.), Magnetically
Controlable Fluids and Their Applications, Lect. Notes Phys. 594 (Springer, Berlin Heidelberg 2009).
[4] R. E. Rosenweig, Ferrohydrodynamics (Dover, New York 1997).
[5] B. Berkovski, V. Bashtovoy (Eds.), Magnetic Fluids and Applications Handbook (Begel House,
Wallingford 1997).
[6] E. Blums, A. Cebers, M. M. Maiorov, Magnetic Fluids (de Gruyter, Berlin 1997).
[7] S. F. Medeiros, A. M. Santos, H. Fessi, A. Elaissari, Int. J. Pharm. 403, 139 (2011).
[8] A. M. Schmidt, Colloid Polym. Sci 285, 953 (2007).
[9] Y. Zhao, Y. Zhang, R. Lv and. Q. Wang, J. Magn. Magn. Mater. 323, 2987 (2011).
[10] H. E. Horng, C. S. Chen, K. L. Fang, Appl. Phys. Lett. 85, 5592 (2004).
[11]S. L. Pu, X. F. Chen, Appl. Phys. Letts. 87, 021901 (2005).
[12] C. Y. Hong, S. Y. Yang, J. Magn. Magn. Mater. 297, 71 (2006).
[13] J. J. Chieh, C. Y. Hong, S. Y. Yang, J. Nanopart. Res. 12, 293 (2010).
[14] H. E. Horng, J. J. Chieh, Y. H. Chao, S. Y. Yang, Opt. Lett. 30, 543 (2005).
[15] T. Liu, X. F. Chen, Z. Y. Di, Appl. Phys. Lett. 91, 121116 (2007).
[16] Y. Zou, K. Liu, Z. Shen, and X. Chen, Microfluid Nanofluid 10, 447 (2011).
[17] J.Szczytko, N. Vaupotič, K.Madrak, P.Sznajder, E.Górecka, Magnetic moment of a single metal
nanoparticle determined from the Faraday effect, Phys. Rev. E 87, 033201(2013)
[18] J. Szczytko, N. Vaupotič, M. Osipov, K. Madrak, E. Górecka, Effect of dimerization on the fieldinduced birefringence in ferrofluids, Phys. Rev. E, 87(6), (2013)
Chemia, fizyka i biologia na potrzeby społeczeństwa XXI wieku: nowe makrokierunki studiów I, II i III
stopnia
Dr hab. Jacek Szczytko
Photonics Lab III
Optical properties of ferrofluids
Compounds showing large magneto-optic effects are searched for because of their possible
application in optical technology as fast shutters, switches, tunable phase retarders, etc. [1,2].
Magnetic materials are ideal for such applications as due to the magnetic nature of compounds large
optical linear and circular anisotropy can be induced by applying a relatively small external magnetic
field. Among magnetic materials a lot of attention was devoted to ferrofluids i.e. solution of magnetic
nanoparticles in non-magnetic host [3-6].
Ferrofluids attract a particular interest because of their biological applications. Ferrofluids can easily
be manipulated by an external magnetic field, and thus they can be used for precise drug delivery
and in hyperthermia applications (see e.g. [7,8] and references therein). They also have large
potential for applications in optical devices [9], such as tunable beam splitters [10], tunable gratings
[11], interferometers [12] and optical logic devices [13]. They are also used in fiber optics including
optical fibre modulators, optical filters and fibre sensors, by using ferrofluid as a fiber cladding or
coating [14,15]. Recently, a fabrication of the magnetic-fluid core fibre was reported as well [16].
A characteristic feature of ferrofluid is the strong magnetic polarization under the external magnetic
field. Student will perform measurements of the Faraday effect [17] and Cotton-Mouton effect [18]
on a suspension of ferromagnetic nanoparticles as a function of wavelength and the intensity of the
external magnetic field. Analysis of the results allows to estimate the magnetization of nanoparticles
and indirectly their size [Szczytko1, Szczytko2]. As part of the exercise it is possible also to perform
the synthesis of ferromagnetic nanoparticles.
Experimental setup for the investigations of ferrofluids (phot. A. Sarnecki)
Coordinator: dr hab. Jacek Szczytko
Bibliography
[1] W. Luo, T. Du, and J. Huang, Phys. Rev. Lett. 82, 4134 (1999).
[2] J. W. Seo, S. J. Park, and K. O. Jang, J. Appl. Phys. 85, 5956 (1999).
[3] S. Odenbach (Ed.), Colloidal Magnetic Fluids: Basics, Development and Application of Ferrofluids,
Lect. Notes Phys. 763, (Springer, Berlin Heidelberg 2009); S. Odenbach (Ed.), Magnetically
Controlable Fluids and Their Applications, Lect. Notes Phys. 594 (Springer, Berlin Heidelberg 2009).
[4] R. E. Rosenweig, Ferrohydrodynamics (Dover, New York 1997).
[5] B. Berkovski, V. Bashtovoy (Eds.), Magnetic Fluids and Applications Handbook (Begel House,
Wallingford 1997).
[6] E. Blums, A. Cebers, M. M. Maiorov, Magnetic Fluids (de Gruyter, Berlin 1997).
[7] S. F. Medeiros, A. M. Santos, H. Fessi, A. Elaissari, Int. J. Pharm. 403, 139 (2011).
[8] A. M. Schmidt, Colloid Polym. Sci 285, 953 (2007).
[9] Y. Zhao, Y. Zhang, R. Lv and. Q. Wang, J. Magn. Magn. Mater. 323, 2987 (2011).
[10] H. E. Horng, C. S. Chen, K. L. Fang, Appl. Phys. Lett. 85, 5592 (2004).
[11]S. L. Pu, X. F. Chen, Appl. Phys. Letts. 87, 021901 (2005).
[12] C. Y. Hong, S. Y. Yang, J. Magn. Magn. Mater. 297, 71 (2006).
[13] J. J. Chieh, C. Y. Hong, S. Y. Yang, J. Nanopart. Res. 12, 293 (2010).
[14] H. E. Horng, J. J. Chieh, Y. H. Chao, S. Y. Yang, Opt. Lett. 30, 543 (2005).
[15] T. Liu, X. F. Chen, Z. Y. Di, Appl. Phys. Lett. 91, 121116 (2007).
[16] Y. Zou, K. Liu, Z. Shen, and X. Chen, Microfluid Nanofluid 10, 447 (2011).
[17] J.Szczytko, N. Vaupotič, K.Madrak, P.Sznajder, E.Górecka, Magnetic moment of a single metal
nanoparticle determined from the Faraday effect, Phys. Rev. E 87, 033201(2013)
[18] J. Szczytko, N. Vaupotič, M. Osipov, K. Madrak, E. Górecka, Effect of dimerization on the fieldinduced birefringence in ferrofluids, Phys. Rev. E, 87(6), (2013)
Chemia, fizyka i biologia na potrzeby społeczeństwa XXI wieku: nowe makrokierunki studiów I, II i III
stopnia