Отзыв оппонента 3 (Фотоиндуцированная сверхбыстрая спиновая динамика в магнитных средах)

ОТЗЫВ официального оппонента на диссертационную работу Кимеля Алексея Вольдемаровича «Фотоиндуцированная сверхбыстрая спиновая динамика в магнитных средах»„ представленную на соискание ученой степени доктора фнзико-математических наук по специальности 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах Диссертационная работа А.В. Кимеля посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию проблемы сверхбыстрого управления намагниченностью в магнитоупорядоченных средах при воздействии на магнитный материал фемтосекундных лазерных импульсов. Работы в этой области развиваются на протяжении 20 лет, начиная с пионерской работы исследовательской группы из Страсбурга.

К настоящему времени сформировалось новое научное направление — сверхбыстрый магнетизм, и показателем его активного развития является проведение нескольких специализированных международных конференций — Иттайь1 Маяпебяп Соп Гегепсе. Интерес к сверхбыстрому магнетизму обусловлен принципиально новыми возможностями, открывающимися в области твердотельной микро- и наноэлектроники. Они связаны с потенциальным повышением быстродействия магнитных запоминающих устройств на 4-6 порядков с одновременным снижением затрат энергии на запись информации, а также с созданием условий для разработки устройств обработки информации на базе компонентов спинтроники, работающих в терагерцовом диапазоне частот. Сдерживающим фактором в реализации столь впечатляющих перспектив является неравновесность и миогофакторность процессов, протекающих в магнитных материалах при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов.

По этим причинам и из-за методических ограничений при исследовании быстропротекающих процессов требуются многолетние усилия как теоретикОв, так и экспериментаторОв для достижения глуОокОГО понимания природы фемто- и пикосекундных явлений в проводящих, пОлупрОИОдниковых и диэлектрических магнитных материалах. Необходимость развития различных подходов к исследованию сверхбыстрой динамики спинов в широком классе магнитных материалов обуславливаю актуальность темы диссертационной работы А.В. Кимеля. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы из 293 наименований.

Диссертация изложена на 210 страницах, включает 49 рисунков и 2 таблицы. Во введении обосновывается актуальность и выбор темы исследования, дается формулировка цели диссертационной работы и комплекса реша~мых в работе научных задач. Приведены основные положения, в которых заключается научная новизна работы. Обоснованы достоверность и практическая значимость проведенных исследований.

Сформулированы основные положения, выносимые на защиту„даны сведения об апробации и публикации результатов работы, о личном вкладе автора в получение результатов диссертации. В первой главе представлен обзор литературы в области исследования динамики намагниченности в магнитоупорядоченных материалах. Рассмотрены основные тенденции и проблемы в исследованиях динамики намагниченности, теоретические основы взаимодействия фемтосекундного излучения с магнитной средой, дан обзор экспериментальных методик для исследования сверхбыстрых процессов и термических эффектов при лазерном возбуждении. Рассмотрены процессы в различных материалах: ферромагнитных металлах, магнитных полупроводниках, диэлектриках, Во второй главе приведены результаты исследования фемтосекундного обратного эффекта Фарадея в диэлектриках — анти ферромагнитной пластинке ортоферрита диспрозия и ферримагнитной пленк~ ферритаграната, и фемтосекундного обратного эффекта Коттона-Мутона в борате железа.

Показано, что импульс света является уникальным инструментом в магнетизме, позволяя воздействовать на спины за времена менее, чем 100 фс, изучать процессы управления намагниченностью материала и кинетику магнитных фазовых переходов на рекордно коротких временных интервалах.

Описаны механизмы резонансного и нерезонансного оптического возбуждения электродипольных переходов. Выявлено, что направление наведенной намагниченности при возбуждении лазерными импульсами определяется направлением циркулярной поляризации импульсов, Показано, что действие света на спины может быть представлено как действие сверхкороткого импульса эффективного магнитного поля, а фотоиндуцированная спиновая динамика описывается с помощью уравнения Ландау-Лифшица. Третья глава посвящена исследованию сверхбыстрого действия света на обменное взаимодействие между спинами и изотропному оптомагнитному эффекту ~обратному магниторефрактивному эффекту).

Экспериментально исследованы различные магнитные материалы — монокристаллические пластины бората железа, гематита, перовскита, ортоферритов ~тулия, эрбия, иттрия, диспрозия) и пленки теллурида европия. В материалах с неколлинеарной спиновой структурой (обусловленной взаимодействием Дзялошинского-Мориа в оксидах железа или внешним магнитным полем в теллуриде европия) изменение обменного взаимодействия на коротких временных интервалах приводило к возбуждению когерентных колебаний намагниченности, соответствовавших моде антиферромагнитного резонанса в центре зоны Бриллюэна.

В коллинеарном магнетике со структурой перовскита обнаружены когерентные колебания намагниченности благодаря эффективной инжекции магнонов на границе зоны Бриллюэана и колебаниям вектора антиферромагнетизма с удвоенной частотой магнона. Обнаружение когерентных колебаний намагниченности с рекордной частотой 22 ТГц и обоснование возможностей управления интересными динамическими нанообъектами — когерентными магнонами с характерным размером -1 нм, открывает новые перспективы для фемтосекундной наномагноники концептуально новой технологии обработки и информации.

Четвертая глава посвящена терагерцовой магнитооптике. На примере ферромагнитного полупроводника с высоким магнитосопротивлением показано, что магнитооптические явления в терагерцовом диапазоне частот являются эффективным методом зондирования магнитотранспортных свойств. рассмотрены уникальные возможности такого метода для исследования явлений с пикосекундным временным разрешением в материалах и структурах для сверхбыстродействующих устройств спинтроники. В пятой главе показано, что при исследовании сверхбыстрой спиновой динамики в редкоземельных соединениях интерпретация результатов измерений, полученных с использованием магнитооптических эффектов Фарадея или Керра, требует особого внимания и учета многоподрешеточной природы магнетиков.

Значимость приведенных в главе результатов не огр~~ичивается редкоземельными соед~~е~иями. Они имеют важное методическое значение для повышения объективности при анализе экспериментальных результатов исследования сверхбыстрой динамики намагниченности, побуждают к поиску и использованию альтернативных методов исследования, способных детектировать как спиновую, так и орбитальную намагниченность магнитных подрешеток ~рентгеновская спектроскопия), а также чувствительных к суммарной намагниченности. В последнем случае автором обосновано использование метода терагерцовой эмиссии как эквивалента магнитометра с субпикосекундным временным разрешением.

Завершается глава разделом о терагерцо вой модуляции фарадеевского вращения в кристалле тербиевого граната лазерными импульсами. На основании результатов проведенных экспериментов предлагается концептуально новый подход к терагерцовой магнитооптической модуляции с перестраиваемой магнитным полем частотой, на базе нелинейно-оптического взаимодействия двух лазерных импульсов, распространяющихся навстречу друг другу. Показана возможность модуляции оптической поляризации с рекордной частотой — до 1,1 'П ц. В шестой главе продемонстрировано обнаруженное автором явление фемтосекундной генерации и управления фототоками на границах раздела магнитных металлических мультислоев кобальт/платина. Это явление открывает новые возможности для фундаментальных исследований спинтроники и магнитной записи: для бесконтактного управления 1без приложения электрического пОля) напраВлением суопикосекундных импульсов тока и для реализации терагерцовых устройств наноспинтроники.

Показано, что, благодаря спин-орбитальному взаимодействию и отсутствию центра инверсии на интерфейсе, покрытие пленки кобальта тонким слоем платины существенно увеличивает восприимчивость магнитной системы к лазерному излучению с циркулярной поляризацией. В заключении отражены наиболее важные результаты и выводы, пОлученные В диссертации. Достоверность полученных в работе результатов основывается на проведении экспериментальных исследований на современном оборудовании с применением различных методоВ исследОВания, Включая уникальные методы, разработанные и обоснованные соискателем, высоким уровнем воспроизводимости результатов при многократных измерениях, и подтверждается согласованием полученных в работе данных с соответствующими экспериментальными и теоретическими данными, полученными в ведущих зарубежных и российских научных группах.

Представленные в диссертации результаты исследования и основные положения, выносимые на защиту, соотвествуют цели диссертации и решаемому для достижения цели комплексу научных задач, обладают научной новизной, ряд результатов носит пионерский характер. К ним прежде всего относятся впервые продемонстрированные фемтосекундные обратные эффекты Фарадея и Коттона-Мутона, фемтосекундный обратный магниторефрактивный эффект, Научную новизну и практическую значимость имеют обнаружение явления генерации когерентных магнонов с рекордной частотой 22 П ц и обоснование возможностей управления когерентными магнонами, открытие возможности фемтосекундной генерации и управления фототоками на интерфейсах магнитны~ металлических слоев„новая концепция магнитооптического модулятора с частотой модуляции до 1,1 ТГц на основе взаимодействии света с релятивистской неоднородностью в магнитооптической среде.

Диссертация Л.В. Кимеля непосредственно связана с разработкой научных основ и физических принципов создания новых сверхбыстродействующих приборов твердотельной микро- и наноэлектроники. Это ооеспечивает соо~ве~ствие диссертации специальности 05.27.01. Диссертационная работа не лишена некоторых недостатков: - В комплекс решаемых в диссертации научных задач входит разработка ряда методик для экспериментального изучения сверхбыстрой спиновой динамики. В диссертации разработанные уникальные методики описаны на концептуальном уровне, и в то же время не приведены данные о конкретных установках и приборах, использованных при реализации предложенных методов. - Для приборов микро- и наноэлектроники, наряду с быстродействием и энергоэффективностью, принципиальным является вопрос об их миниатюризации.

В диссертации описана генерация и обоснована возможность управления динамическим нанообъектом — магноном с характерным размером порядка 1 нм. Несомненный интерес представляли бы оценки возможностей локализации на микро- и нанометровых масштабах и других обнаруженных автором новых физических явлений.

- В диссертации и автореферате имеются орфографические и терминологические неточности, результаты представлены стилистически неоднородно, отсутствуют пп. 3.2 и 5.3, добавлен не приведенный в оглавлении п. 3.6. .