Диссертация (Фотоиндуцированная сверхбыстрая спиновая динамика в магнитных средах), страница 6

Кроме того,31интерпретациярезультатовтакихизмеренийтакженуждаетсявусовершенствовании [53].1.4. Термические эффекты при лазерном возбуждении.1.4.1. Сверхбыстрое размагничивание металлических ферромагнетиковМеталлическиеферромагнетикипредставляютсобойсистемы,достаточно сложные для изучения благодаря специфическому характеруферромагнетизма коллективизированных электронов. В то же времяметаллические магниты используются во множестве приложений отпреобразователей мощности и сенсоров до устройств хранения информации испинтроники.Неудивительно,чтоэкспериментальныеисследованиясубпикосекундной динамики намагниченности были начаты с таких«простых» систем, как Fe [54], Ni [1] или Gd. Несмотря на определенныйпрогресс, результаты этих исследований все еще обсуждаются, как в частиэксперимента, так и в части теории.Первыесверхбыстрыхэкспериментымагнитныхсвременнымэффектов,разрешениеминдуцированныхпопоискувлияниемпикосекундного лазерного импульса на намагниченность, были проведеныдля Ni и Fe в достаточно широком диапазоне температур.

Однако, они не былиуспешными вплоть до точки плавления исследуемых материалов [40,55].Позднее Ватерлаусом и др. в пленках Gd были определены времена спинрешеточной релаксации порядка 10080 пс с использованием спинполяризованной фотоэмиссии с временным разрешением в качестве зонда[39]. Эти исследования были затруднены тем фактом, что используемыелазерные импульсы имели длительность в диапазоне 60 пс – 10 нс, равную(или превышающую) характерные времена исследуемых процессов. Толькопозднее стало понятно, что при таких длительных возбуждениях различныечасти системы всегда находились в равновесии друг с другом, так что системаследовала за профилем возбуждения. Таким образом, было показано, что для32исследованиявышеупомянутыхвременныхмасштабовтребуетсяиспользование значительно более коротких воздействий.1.4.1.1.

Экспериментальное наблюдение сверхбыстрого размагничиванияBeaurepaire и др. были первыми, кто использовал лазерные импульсыдлительностью 60 фс для измерения временных зависимостей удельногокоэффициента пропускания и линейного магнитооптического эффекта Керра(МОЭК) в никелевых пленках толщиной 22 нм [1]. По временной зависимостикоэффициента отражения было установлено, что время термализацииэлектрона составляет около 260 фс, а постоянная релаксации температурыэлектронов равна 1 пс. Напротив, спиновая температура, выведенная извременной зависимости петель гистерезиса, достигала своего максимума завремя порядка 2 пс.

Таким образом, было показано, что спины и электроны висследуемых системах проявляют различную динамику. С другой стороны, вэкспериментах Hohlfeld и др. по исследованию магнитоиндуцированной ГВГбыло получено аналогичное время термализации электронов (280 фс), но небыла обнаружена задержка между возбуждением электронов и потерейнамагниченности [56]. В обоих случаях наблюдаемая динамика быласущественно более быстрой, чем значения, предсказанные на основевременныхпараметровспин-решеточнойрелаксации.Фактически,пренебрегая возможной небольшой разницей между электронной и спиновойтемпературой, на основе этих результатов можно показать, что возбуждениесверхкоротким лазерным импульсом приводит к сверхбыстрому нагревуэлектронной системы.

В результате намагниченность будет уменьшаться соскоростью ее нормальной температурной зависимости M = M (Te), где Te электронная температура. В исследованиях двухфотонной фотоэмиссии,проведенныхSchollидр.,наблюдалисьдваразличныхпроцессаразмагничивания: быстрый с характерным временем менее 300 фс, и оченьмедленныйсвременамипорядка33500пс,которыйприписываетсявозбуждению спиновых волн [41]. Фемтосекундное размагничивание былопродемонстрировано также в работе [52] с использованием метода МЦД.Хотя на основании многих исследований можно считать общепринятым,что намагниченность следует за электронной температурой с возможнойзадержкой между возбуждением электрона и размагничинванием , непревышающей 50 фс, интерпретация экспериментальных результатоввызываетмножествовопросов.магнитооптическийоткликнамагниченности?Припродемонстрировано,чтоНапример,неравновеснойдействительносистемыисследованииструктурнапервыхпротяжениилипропорционаленCu/Ni/Cu[33]несколькихсотенфемтосекунд динамическая эволюция керровских эллиптичности и вращенияне совпадает.

Это ставит под сомнение пропорциональность междунамагниченностью и вектором Фойгта, лежащим в основе магнитооптики.Этот эффект является следствием неравновесного характера электроннойсистемы сразу после фемтосекундного возбуждения. Таким образом,корректно вывести изменение намагниченности из изменений в фарадеевскомили керровском вращении можно только при условии установленияравновесного состояния электронной системы. Эти аргументы ставят подсомнение сверхбыстрые «мгновенные» светоиндуцированные изменениянамагниченности [33].Тем не менее, при использовании лазерных импульсов с длительностьюпорядка 20 фс и аккуратном разделении динамических вкладов диагональныхи недиагональных элементов диэлектрического тензора, зависящего отвремени, можно показать, что значительное размагничивание на временнойшкале порядка 100 фс может быть получено, например, в CoPt3 [57].

Болеетого, методом время-разрешенной фотоэмиссии может быть показано, чтообменное расщепление подзон с направлением магнитного момента вдоль ипротив намагниченности происходит на той же временной шкале [58].Разрыв между намагниченностью и магнитооптическим откликом вэкспериментах по исследованию сверхбыстрых процессов методом накачки34зондирования также подтверждается расчетами из первых принципов МОЭКв никеле [31].

В результате оценки тензора комплексной проводимости никелядля неравновесного распределения электронов, авторы данной работырассматривают эффекты дихроичного обеднения и блокирования состояний.Было показано, что тензор проводимости и, следовательно, комплексный уголКерра могут быть существенно изменены, так что керровское вращение иэллиптичность уже не пропорциональны намагничиванию образца, и поэтомуне могут быть использованы в качестве меры размагничивания насверхкоротких временах.

Для CoPt3 роль указанных эффектов в экспериментахпо исследованию сверхбыстрых магнитооптических процессов методомнакачки-зондирования была проверена экспериментально при изменениидлины волны зондирующего излучения в широком спектральном диапазоне от500 до 700 нм [59]. Если эффекты дихроичного обеднения и блокированиясостоянийдействительноприсутствуют,томожнопредположитьвозможность наблюдения спектральной зависимости магнитооптическогоотклика, связанной с обеднением населенности.

Однако, было обнаружено,что спектральный отклик не имеет выраженных особенностей, на основаниичего было сделано заключение, что магнитооптический сигнал отражаетпреимущественно спиновую динамику в данном ферромагнетике. Следуетотметить, что относительно малая величина магнитооптического эффекта вникеле не позволяет провести аналогичные эксперименты. Следовательно,строго говоря, выводы работы [59] не могут быть распространены на другиеметаллы. Более того, в никеле наблюдалось насыщение сверхбыстроголазерно-индуцированногонамагничиванияпривысокихплотностяхвозбуждения, которое в работе [60] объяснялось заполнением зон.Другимпроявлениемсверхбыстроголазерно-индуцированногоразмагничивания является излучение в терагерцовом спектральном диапазоне.Еслинамагниченностьферромагнитнойпленкиизменяетсявсуб-пикосекундном временном масштабе, то, в соответствии с уравнениямиМаксвелла, происходит генерация электромагнитной волны.

Излучаемая35волна содержит информацию о внутренней спиновой динамике. Похожиесоображения использовались для исследования динамики носителей вполупроводниках и разрыва куперовских пар в сверхпроводниках.Впервые этот подход был применен Beaurepaire и др. с целью получитьдополнительное доказательство субпикосекундного размагничивания пленокNi [61]. В этом эксперименте исследовались временные зависимости лазерноиндуцированной генерации ТГц излучения в нанометровых никелевыхпленках при направлении намагниченности в плоскости пленки.