Диссертация (Фотоиндуцированная сверхбыстрая спиновая динамика в магнитных средах), страница 2

Это значит, что светспособен действовать на спины как эффективное магнитное поле. Такоедействие света было предсказано Питаевским (1961), а затем и ван дер Зиломс соавторами (1964) и получило название обратного эффекта Фарадея.Исследования этого эффекта проводились в широком классе материалов, нодо недавнего времени не было абсолютно никакого понимания, насколькосильным будет опто-магнитное поле, которое создается в среде циркулярнополяризованным импульсом с длительностью короче, чем 100 фс.Попыткитеоретическогоописаниядействиятакихкороткихимпульсов на магнитную среду являются на данный момент предметомжарких споров.

Дело в том, что возбуждение на временах намного короче, чемвремя установления термодинамического равновесия в среде, то есть времятермализации, которое составляет порядка 100 пс, приводит среду в сильнонеравновесное состояние. В таком состоянии многие подходы для описаниямагнитной динамики становятся, строго говоря, неприменимыми. Вмагнетизмечастопользуютсямакроспиновымприближениемиадиабатическим приближением, которые могут стать неадекватными, еслисистема находится не в состоянии термодинамического равновесия.Магнитные фазовые переходы часто описываются в терминах равновеснойтермодинамики и такой подход тоже становиться неадекватным, если речь7идет о временах намного короче, чем 100 пс. На сегодняшний деньтеоретическая физика находится в поиске адекватных приближений, которыепозволят построить модель отклика спинов на сверкороткое лазерноевозбуждение. Таким образом, экспериментальное исследование откликаспинов в магнитоупорядоченных средах на сверхкороткое лазерноевозбуждение является на данный момент основным способом изучениясверхбыстрого магнетизма.

Наконец, следует отметить, что магнитныеявления интуитивно описываются с точки зрения термодинамики, иэкспериментальные исследования спиновой динамики в сильнонеравновесномсостоянии с высокой вероятностью могут привести к неожиданнымоткрытиям.Например, первые эксперименты по управлению параметром порядка вметаллической пленке Ni с помощью фемтосекундных лазерных импульсовстали настоящим вызовом для современных теорий в магнетизме.

В частности,в пионерской работе [1], которая была опубликована в 1996 году и положиланачало области сверхбыстрого (фемтосекундного) магнетизма, сообщалось,что возбуждение металлического магнетика импульсом длительностьюпорядка 100 фемтосекунд приводит к частичной потери магнитного порядка иуменьшению суммарной намагниченности на временах около 1 пикосекунды.Время такого сверхбыстрого размагничивания оказалось намного короче, чемхарактерные времена всех известных на то время взаимодействий, которыемогут обеспечить обмен угловым моментом между спинами и решеткой(порядка 100 пикосекунд).Естественно, вскоре после этих экспериментов было сделанонесколько попыток возбудить спиновую динамику с помощью сверхбыстрогоэффекта Фарадея в магнитных материалах. Несмотря на эксперименты,которые были проведены несколькими группами в Европе, США и Японии всеэти попытки не привели к заметному действию света на упорядоченныеспины.

Эти трудности вызывали серьезные сомнения в возможности8сверхбыстрого управления спинами с помощью циркулярно поляризованногосвета.Основной целью диссертации являлась разработка фемтосекундногооптического контроля магнетизма. В частности, исследовались прямыеэффекты действия света на спины без задействования тепла. На момент началаработы это являлось новым направлением на стыке когерентной нелинейнойоптики и магнетизма.Для достижения поставленной цели решался следующий комплекснаучных задач:- Комплексное (теоретическое и экспериментальное) исследованиеособенностей магнитооптического отклика материалов на сверхбыстроелазерное возбуждение.- Разработка методик для экспериментального изучения сверхбыстройспиновой динамики.- Комплексное (теоретическое и экспериментальное) исследованиеразличныхмеханизмовсверхбыстроговоздействияполяризованного(циркулярно и линейно) и неполяризованного света на спины.- Комплексное (теоретическое и экспериментальное) исследованиемеханизмов сверхбыстрого управления спиновыми волнами и спинполяризованными токами.Научная новизна работы заключается в следующих основныхположениях:- Впервые продемонстрированы фемтосекундные обратные эффектыФарадея и Коттона-Мутона в DyFeO3, Y3Fe5O12, FeBO3.-Впервыепродемонстрированфемтосекундныймагниторефрактивный эффект в YFeO3, TmFeO3, FeBO3, EuTe.9обратный- Открыта возможность управляемой генерации когерентных спиновыхволн на границе зоны Бриллюэна в KNiF3, где возбуждения имеютминимально возможные длины волн и максимально возможные частоты.- Открыта возможность управляемой генерации фототоков наинтерфейсах Co/Pt.

Длительность фототоков определяется длительностьюлазерного импульса накачки (менее 100 фс). Направление фототоковопределяется намагниченностью Co и поляризацией света.-Продемонстрированамодулятора,основаннаянановаяконцепциявзаимодействиимагнитооптическогосветасрелятивисткойнеоднородностью в магнитооптической среде (Tb3Ga5O12). Частота такоймодуляции может перестраиваться с помощью внешнего магнитного поля идостигать 1.1 ТГцВсе экспериментальные исследования, представленные в данной работе,основаны на методике спектроскопии временного разрешения (pump-probe),модифицированной для решения конкретных экспериментальных задач.Обоснованностьидостоверностьрезультатовопределяетсякорреляцией полученных экспериментальных и теоретических данных.Результатыивыводыдиссертационнойработысогласуютсясэкспериментальными и теоретическими данными, полученными ведущимизарубежными и российскими научными группами. Экспериментальныеисследования проводились на современном высокоточном оборудовании.

Дляуменьшения влияния случайных и статистических погрешностей былапроведена автоматизация экспериментальной установки, что обеспечиловысокую воспроизводимость результатов при многократных (повторных)измерениях. Результаты проведенных исследований были представлены намеждународныхконференцияхиопубликованывнаиболеевысокорейтинговых международных рецензируемых журналах, входящих впервый квартиль базы данных Web of Science Core Collection.10Апробация работыРезультаты работы представлены и обсуждены на следующихмеждународных конференциях:• International Conference on Photo-Induced Phase Transitions PIPT-2011,June 28-July 2 (2011).• March Meeting of American Physical Society, Dallas, USA, March 20-March25 (2011).• International Workshop on Novel trends in magnetism and optics ofnanostructures, Augustow, Poland, July 2-7 (2011).• Seagate Conclave, Belfast, Northern Ireland, June 18-19 (2012)• Joint European Symposia on Magnetism JEMS2012 Parma, Italy, 9-14September (2012).• International Advanced School on Magnonics, Santa Margarita Ligure, Italy,3-7 September (2012).• Physics@FOM Veldhoven, Veldhoven, The Netherlands, January 21-22(2013).• Conference on Functional Materials, Haspra, Crimea, Ukraine September 29- October 5 (2013).• Dynamic paths in multidimensional landscapes, workshop, Berlin Germany,September 16-20 (2013).• Ultrafast magnetism conference, Strasbourg, France, October 28 - November1 (2013).• International conference on Photoinduced Phase Transitions and CooperativePhenomena PIPT5 Bled, Slovenia, June 8 - 13 (2014).• Physics@FOM Veldhoven, Veldhoven, The Netherlands, January 20-21(2015).• Nationalconference“NanophysicsandNano-electronics”,Novgorod, Russia, March 9-13 (2015).• DFG Spring Meeting, Berlin, Germany, 15-20 March (2015).11Nizhniy• International workshop on Optical Polarization Conversion at the Nanoscale,Exeter, UK, June 25-26 (2015).• VI Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism", Krasnoyarsk, Russia,August 15-19 (2016).• 61st Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, NewOrleans, USA, October 31- November 4 (2016).Практическая значимостьПрактическая значимость представленной работы состоит в разработкеновых принципов функционирования устройств микро- и наноэлектроники набазе ферромагнитных и мультиферроидных материалов, а также в развитииоптическихинелинейно-оптическихнеразрушающихметодикдляисследования параметров быстропротекающих процессов в таких средах.Очевидно, что фундаментальные исследования, как правило, далеки отреальных приложений.

Тем не менее, существует надежда, что исследованиясверхбыстрой динамики намагниченности могут привести к созданиюпринципиально новых технологий, которые позволят достичь необходимогоуровня конкурентоспособности в ближайшие 10-15 лет. За последнеедесятилетие крупнейшие производители магнитных носителей (Seagate иHGST) провели работу над новой концепцией записи информации с помощьюсвета - Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR).