Отзыв оппонента (Фотоиндуцированная сверхбыстрая спиновая динамика в магнитных средах)

ОТЗЫВофициального оппонента Пятакова Александра Павловича на диссертационную работуКимеля Алексея Вольдемаровича «Фотоиндуцированная сверхбыстрая спиновая динамика вмагнитных средах», представленную на соискание ученой степени докторафизико-математических наук по специальности 05.27.01 – твердотельная электроника,радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах.В последнее время магнитооптика получила новый импульс развития в связи споявлением фемтосекундных лазеров, ставших чрезвычайно мощным инструментомисследования сверхбыстрой спиновой динамики.

Сверхкороткие импульсы излучениявысокой мощности открывают новые возможности как для управления магнитнымсостоянием вещества, так и его детектирования со сверхвысоким временным разрешением врамках одной методики pump-probe (накачки-зондирования). Традиционные модели дляинтерпретации результатов магнито-оптического исследования становятся непригоднымипри исследовании сильнонеравновесной динамики. Так, привычное представлениемагнитооптики о пропорциональности между намагниченностью и магнитооптическимоткликом на временных масштабах, меньших 100 фс, перестает быть адекватным; намасштабах характерного времени спин-орбитального взаимодействия нельзя говорить одинамике намагниченности только в терминах гиромагнитного отношения, без отдельногорассмотрения спиновых и орбитальных вкладов и т.д.

Таким образом, данная область вполном смысле является передним краем науки, поиск новой парадигмы еще далек отзавершения. Исследования, проведенные автором представленной диссертации А.В.Кимелем, являются пионерскими и дают возможность для дальнейшего успешного развитияданного направления.

Все вышесказанное обуславливает актуальность исследования.Исследования, проведенные в диссертационной работе, имеют практическуюзначимость для создания более быстрой и энергоэффективной магнитной памяти. Еслипроблема считывания информации с магнитных носителей практически решена свнедрением эффекта гигантского магнитосопротивления, то проблема записи информацииостается открытой – создание магнитных полей записи сопровождается сильным нагревом, атакже требует сравнительно большого времени порядка нескольких наносекунд. В случае жеоптического воздействия света речь идет о сотнях фемтосекунд.Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованныхисточников, включающего 293 наименований.

Объем диссертации составляет 210 страництекста, диссертация содержит 49 иллюстраций и 2 таблицы.Во введении излагаются цели и задачи работы, актуальность, научная новизна ипрактическая значимость диссертационной работы, научные положения, выносимые назащиту.В первой главе изложен обзор литературы по теоретическим моделям сверхбыстрогомагнетизма, а также экспериментальным методикам исследования сверхкоротких лазерныхимпульсов с магнитными материалами.

При обзоре экспериментальных методик отдельно1рассматриваются исследования в разных спектральных диапазонах – инфракрасном,видимом, ультрафиолетовом, а также рентгеновском. Отдельно рассматриваются механизмыопто-магнитных эффектов для различных материалов – металлических ферромагнетиков,магнитных полупроводников, магнитных диэлектриков, магнитных полуметаллов.Вторая глава описывает оригинальные результаты, полученные автором в 2005-2015гг. Сначала описываются механизмы и теоретические модели возникновения обратныхмагнито-оптических эффектов, восходящие к работам Л.П.

Питаевского. Автором впервыеэкспериментально продемонстрированы фемтосекундные обратные эффекты Фарадея иКоттона-Мутона в кристаллах феррита диспрозия, иттриевого феррита-граната, боратежелеза и др. Показано, что при воздействии на кристалл лазерным импульсом круговойполяризациивозникаютколебанияфарадеевскоговращениясчастотойантиферромагнитного резонанса.

Наличие соответствующих колебаний намагниченностибыло подтверждено альтернативным методом, основанным на детектировании эмиссиитерагерцового излучения.В третьей главе приводятся экспериментальные результаты и их теоретическоеобоснование по исследованию обратного магниторефрактивного эффекта. Механизмом этогоизотропного опто-магнитного эффекта является индуцированное светом изменениеобменного взаимодействия. Методом детектирования эмиссии терагерцового излучениябыло доказано существование обратного магниторефрактивного эффекта в различныхматериалах – редкоземельных ортоферритах, борате железа, гематите. Результаты,представленные в этой главе, опубликованы в журналах Nature Communications (2015, 2016гг.) и Scientific Reports (2014).Четвертая глава посвящена изучению проблем терагерцовой спинтроники.

Самавозможность проводить надежные исследования в терагерцовом диапазоне появиласьсравнительно недавно, и даже отладка экспериментальной методики магнитооптическихисследований в терагерцовом диапазоне – это уже шаг вперед. В представленнойдиссертационной работе представлены не только магнитооптические измерения, но ивозможность их применения для изучения магнитотранспортных свойств с пикосекунднымразрешением.

В магнитных полупроводниках такие исследования были проведены впервые.Пятая глава описывает методику и результаты исследования сверхбыстрой динамикинамагниченности. Короткие импульсы лазерного излучения, воздействуя на среду, изменяютее намагниченность, но также могут менять и магнитооптические параметры, поэтомуисследование стандартных магнитооптических эффектов не даст результата. Здесь вовлеченосразу несколько механизмов – воздействие эффективного магнитного поля, создаваемогосветом, на спины, воздействия электрического поля световой волны на обменный интеграл,воздействие электрического поля на диэлектрическую проницаемость, и наконец, тепловоевоздействие.

В данной главе подробно описывается экспериментальная методикатерагерцовой эмиссии, позволяющая выделить именно динамику намагниченности.В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований2сверхбыстрой динамики электрических токов. За счет оптических импульсов вследствиеэффекта Рашбы в проводящей магнитной среде на границах раздела возникаютспин-поляризованные токи.

Возможность генерации и детектирования этих токов оченьважна для развития спинтроники, поскольку стандартные методики управленияспин-поляризованными токами с помощью магнитного поля существенно ограничены побыстродействию.В заключении представлены основные результаты и выводы диссертационной работы.Диссертационная работа обладает несомненной научной новизной, иэкспериментальные исследования, и их интерпретация находятся в области, в которой многоспорных, противоречивых результатов, или аналогичные результаты отсутствуют вовсе.Диссертационная работа содержит научные открытия автора, признанные мировым научнымсообществом.

К таким открытиям можно отнести экспериментальную демонстрациюобратного эффекта Фарадея в феррите диспрозия. Соответствующая статья опубликована вжурнале Nature, на нее ссылались более 400 раз. Каждая глава из оригинальной частисодержит исследования, которые были проведены впервые, и при дальнейшем развитии онимогут перерасти в новые научные направления. Во второй главе это обратный эффектФарадея, в третьей – обратный магниторефрактивный эффект, в четвертой – сверхбыстрыеизмерения магнитного транспорта в магнитных полупроводниках, в пятой – сверхбыстрыймагнетизм в соединениях редкоземельных металлов, в шестой – сверхбыстрое управлениеспин-поляризованными токами.

Особо стоит отметитьиспользование помимомагнитооптического зондирования дополнительной методики детектирования колебанийнамагниченности – по эмиссии терагерцового излучения, что снимает вопрос о том,действительно ли колебания магнитооптического вращения отражают реальную магнитнуюдинамику.Достоверность результатов, полученных соискателем, следует из согласованностиэкспериментальныхрезультатовитеоретическихмоделей,использованиявзаимодополняющих экспериментальных методик и воспроизводимости результатов.Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены намножестве международных конференциях по магнетизму, спинтронике, оптике, и былиопубликованы в ведущих мировых журналах, имеют высокую цитируемость.В целом, диссертационная работа представляет совокупность исследований,проведенных на высоком научном уровне и получивших признание мирового научногосообщества.

Диссертация написана ясным языком, с подробным разбором всех механизмов,их теоретического обоснования и применимости. Экспериментальные методики описанычетко и подробно, с анализом их преимуществ и ограничений. Автореферат полностьюотражает содержание диссертации.При общей высокой оценке диссертационной работы следует отметить рядзамечаний:1) При обосновании практической значимости работы в автореферате и введении3диссертации присутствует следующая фраза: «За последнее десятилетие крупнейшиепроизводители магнитных носителей (Seagate и HGST) работают над новой концепциейзаписи информации с помощью света - Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR)». Это несовсем точная формулировка. В технологии HAMR луч лазера оказывает тепловоевоздействие, локально нагревая магнетик и уменьшая его коэрцитивную силу, чтобы егоможно было перемагнитить с помощью магнитного поля меньшей величины.

Это не тотэффект, который описывается в диссертации, где свет действует как эффективное магнитноеполе. Хотя, несомненно, эффекты, исследуемые в диссертации, могут найти применение длямагнитной записи.2) Вопрос о генерации терагерцового излучения под действием сверхкороткихимпульсов в диссертации упоминается неоднократно и рассматривается как очевидноеследствие уравнений Максвелла.