Магнитооптика, магнитная нанофононика и фемтомагнетизм

Магнитооптика и фемтомагнетизм

В середине XIX века Майкл Фарадей открыл явление изменения поляризации света при его прохождении через намагниченную среду, которое стало первым в череде известных к настоящему времени нам магнитооптических явлений. Сейчас магнитооптические эффекты Фарадея и Керра стали эффективным средством изучения статических и динамических магнитных свойств различных материалов, а также легли в основу различных устройств управления световыми потоками.

Не только магнитные среды могут менять свойства света, но и наоборот. Однако, в отличие от магнитооптики воздействие света на магнитные среды долгое время оставалось довольно экзотическим явлением, пока не настала эпоха фемтосекундных лазеров – источников сверхкоротких импульсов когерентного оптического излучения. Целый ряд прорывных работ показал, что отклик магнитных сред на воздействие фемтосекундного лазерного импульса  существенно отличается от отклика на, например, воздействие магнитного поля. В частности, изменения магнитных свойств материалов под действием таких импульсов, может происходить за удивительно короткое время порядка 100 фемтосекунд!

Так родилось целое новое направление на стыке магнетизма и фотоники – фемтомагнетизм [A. Kirilyuk et al., Rev. Mod. Phys. 82, 2731 (2010); doi.org/10.1103/RevModPhys.82.2731].  Ведущими группами по всему миру уже были обнаружены такие яркие явления, как:
•    «выключение» намагниченности ферромагнетика лазерным импульсом за 100 фемтосекунд, микроскопическая природа которого до сих пор является предметом горячих споров;
•    возбуждение и управление прецессией намагниченности за счет того, что фемтосекундный импульс действует как импульс магнитного поля, длительность которого на два порядка короче, чем длительности магнитных полей, создаваемых электромагнитами;
•    переключение намагниченности одиночными лазерными импульсами, открывающее путь к сверхбыстрой магнитной записи информации.
Сейчас перед исследователями в этой области стоят несколько основных задач:
•    Необходимо понять природу необычного быстрого отклика магнитных сред на фемтосекундные лазерные импульсы, для чего необходимо проведение сложных уникальных экспериментов, а также разработка новых теоретических моделей.
•    На начальной стадии исследований фемтомагнетизма многие эффекты были изучены в объемных материалах, и теперь очень важно понять, каков будет отклик магнитных наноструктур на фемтосекундные лазерные импульсы.
•    Как решить проблему фокусировки лазерного импульса для управления намагниченностью на нанометровых масштабах?

Ответы на эти вопросы критически важны для понимания того, каково может быть практическое применение фемтомагнитных явлений. Естественно, что в настоящее время наблюдается отчетливая тенденция к взаимопроникновению фемтомагнетизма и других современных направлений в физике, таких как нанофотоника, наноплазмоника и другие.

Задачей наших исследований является экспериментальное изучение сверхбыстрых процессов в магнитных средах и наноструктурах при воздействии на них коротких лазерных импульсов. Хотя акцент в наших исследованиях сделан, прежде всего, на магнитных материалах и управлении намагниченностью, мы занимаемся поиском интересных и новых эффектов в мультиферроиках или в материалах, характеризуемых сложной электронной или решеточной структурой.  

Переключение намагниченности одиночным фемтосекундным импульсом

Магнитооптические изображения тонкой пленки ферримагнетика GdFeCo в исходном состоянии и после воздействия 1, 2, …. 5 лазерными импульсами длительностью 40 фс. Темные и светлые области соответствуют областям с намагниченность направленной вверх и вниз. Этот эксперимент наглядно демонстрирует, что каждый одиночный фемтосекундный лазерный импульс переключает намагниченность в направлении, обратном исходному. Таким образом, происходит сверхбыстрая запись информации в магнитный материал без внешнего магнитного поля [T. Ostler et al., Nature Communications 3, 666 (2012); doi:10.1038/ncomms1666].

Магнитная нанофононика

Это экспериментальное направление объединило два молодых, бурно развивающихся направления физики твердого тела: нанофононику и фемтомагнетизм, остававшихся до недавнего времени независимыми.

В нанофононике, мы формируем требуемый колебательный (фононный) спектр наноструктур, задав их дизайн с субнанометровой точностью  и используя пространственную периодичность упругих свойств или собственные колебательные (механические) моды,. Так, упругие колебания на одних частотах можно полностью «выключить», на других - локализовать в ограниченном объеме и заставить жить аномально долгое время.

Включение в нанофононную стурктуру магнитного материла приводит к существенному изменению их свойств и, как следствие, функциональности. В магнитных средах решётка и магнитные возбуждения связаны: упругие колебания приводят к модуляции внутренних полей магнитной структуры и «раскачивают» магнитные моменты атомов в кристаллической решетке. Эта связь становится максимальной в условиях резонанса, когда частоты упругих колебаний и прецессии магнитных моментов совпадают. Это открывает удивительные, по большей части еще не изученные возможности управления магнитными возбуждениями в наномагнитофононных структурах, а также позволяет добиться магнитного отклика, совершенно нетипичного для  «обычных» магнитных материалов. Например, значительно увеличить время жизни прецессии намагниченности, локализовать спиновую волну, связав с локализованными колебаниями решетки, или, напротив, добиться ее распространения в заданном направлении.

Задача наших исследований – экспериментальное выявление и исследование  таких эффектов в наномагнитофононных структурах и поиск возможностей их практического использования в наносенсорике и других областях. 

Долгоживущая прецессия намагниченности в наномагнитофононной структуре

Рис.1: ферромагнитный нанорезонатор на основе галфенола (Fe,Ga), сформированный полупроводниковой сверхрешектой (SL), выполняющей роль фононного брэгговского зеркала, и открытой поверхностью. Возбужденные лазерным импульсом локализованные фононные моды c частотой wph,  «раскачивают» прецессию намагниченности, частота wM которой  контролируется внешним магнитным полем. В условиях резонанса wph=wM происходит кардинальное изменение временной эволюции намагниченности.
Это видно по трем временным сигналам (Рис.2), отражающим оптически возбужденную прецессию намагниченности при различном значении внешнего магнитного поля: в отсутствие резонанса (нижняя кривая), в случае резонанса с нижайшей фононной модой на частоте 20 ГГц (средняя кривая) и в условиях резонанса с вышележащими фононными модами в области 30 ГГц.  Прецессия намагниченности, затухающая в отсутствие резонанса в течение 0.5 нс, в условиях резонансной фононной накачки демонстрирует рекордное и удивительное для металлического ферромагнетика время жизни, превышающее 10 нс.

 

Информация © 2015-2017 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий