Автореферат (Магнитоиндуцированные эффекты в оптическом и нелинейно-оптическом отклике металлических наноструктур)

На правах рукописи Крутинский Виктор Леонидович Магнитоиндуцированные эффекты в оптическом и нелинейно-оптическом отклике металлических наноструктур Специальность 01.04.21 — лазерная физика Автореферат диссертации на соискание ученой стенени кандидата физико-математических наук Москва 2016 Работа выполнена па кафедре квантовой электроники физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский госл дарственный университет имени М.ВУЛомопосовам Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент Мурзина Татьяна Владимировна Официальные оппоненты: Пудонин Федор Алексеевич, доктор физико-математических наук, Фсдсральнос государствсннос бюджстпос учреждение науки Физический институт им.

П.На1ебедева Российской академии наук, заведующий лабораторией. Аронзон Борис Аронович, доктор физико-математ нческих наук. Национальный Исследовательский «Курчатовский институт». Центр Ведущая организация С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени Ы.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27) а также по адресу: Ь11р:,~!р11увлпвплп/гпв,'гезеагс1гЛ11эвег,'воге1-О501-001-31 Автореферат разослан « » 2016 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, 501.001.31, к.ф.-м.н. Коновко Андрей Андреевич Федеральное государствсннос бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук. Защита состоится 19 мая 2016 г. на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленипские горы, МГУ, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им.

С.А. Ахманова. Общая характеристика работы Диссертацио|шая работа посвящена экспериментальному исследовапи|о линейного и квадратичного о|ггичсского л|агнитоипдуцировшшого отклика металлических магнитных наноструктур. В работе было исслодовано несколько типов структу-р: во-первых, массив наностержней никеля, в котором обнаружено усиление магнитонндуцированной второй оптической гармоники в спектральной окрестности возбуждения локалы|ых поверхностных плазмопов.

Во-вторых, исследовались наноструктуры с неоднородным распределением намагниченности. Для структур с вихрсвьп| распределением намагниченности была обнаружена чувствительность второй гармоники к направлению магнитного вихря. В-третьих, была изучена динамика оптического отклика регулярного цланарного массива частиц кобальта, что позволило выявить механизмы, отвечающие за формирование оптического и магнитооптического отклика на временных масштабах вплоть до 2 нс. Основные результаты работы опубликованы в статьях ~1-6~ и доложены на конференциях ~7-15~. Актуальность работы Соврсмснныс достижения науки и технологии позволяют создавать новые функциональные магнитные структуры различного дизайна, обладающие модифицированн|ими или принципиально новьп|и магнитными и оптичоскими свойствами, наличие которых невозможно для обьемпых материалов. Формирование магнитных структур с параметрами., контролируемьп|и на нанометровых масп|табах, дает возможность реализовать такие эффекты как низкоразмсрный магнетизм, ивдуцироваппая намагниченность в благородных металлах, обменная связь слоев с осцилляторным характером, гигантское магнитное сопротивление и многие другие.

Подобные эффекты находят применение в перспективных устройствах спиптропики Щ. В сфере магнитных систем храпения информации также имеется тенденция к уменьшению характерных размеров структур и времени их отклика, композитные наноструктуры применяются для создания магнитной памяти с произвольным доступом. С фундаментальной точки зрения возникновение новых свойств в структурах пониженной размерности связано с тем., что их геометрические размеры достигли определенного критического значения — длины спиповой диффузии, средней длины свободного пробега зарядов, размеров доменной стенки и т.

д. ~2]. Простейпп|м видом подобных структур являются двумерные структуры из тонких слоев с разными магнитными свойствами, в которых могут наблюдаться такие явления как обменная связь слоев и инжекция спин-поляризованных носителей, Одномерные магнитные структуры, или нанонити, интересны тем, что вследствие малости диаметра в пих может формироваться моподомепное по радиусу распределение намагниченности при многодоменной структуре вдоль оси, кроме того в них возникают особые условия для синцовых возбуждений Д.

Помимо устройств хранения информации, такие одномерные структуры могут найти применение в качество сснсоров, принцип работы которых основан, например, па магпито-механических эффектам. В магнитных частицах, ограниченных по всем трем измерениям (нуль-мерные структуры), образование доменной структуры. подобно обьсмным средам, уже невозможно. Магнитные свойства при этом определяются балансом обменной энергии, магнитной анизотропии и полом размагничивания, что может приводить к формированию суперпарамагцитпого, моподомеппого или иных сосзояпий намагниченности.

Значительный интерес вызывает возникновение в таких частицах топологичсски нетривиальных распрсдслсний намагничонности, имеющих средний угловой момент ) 1). В частности, так называемое вихревое состояние характеризуется взимутальным распределением намагниченности в одной плоскости с небольшой областью (сердцевиной) в центре. где намагниченность перпендикулярна этой плоскости. Высокий интерес к таким системам вызван как перспективой практического применения подобных состояний в связи с их стабильностью, так и фундаментальной аналогией с другими бозонными системами, в которых возникают вихри. Вышесказанное определяет актуальность изучения магнитных наноструктур, которому посвящена данная работа.

Значительный интерес к применению существующих и разработке новых магнитных наноструктур требует также и развития соответствующих методов их контроля и исследования. Широкое применение в этой области находят магнитооптические методы, которые отличаются относите.чьной простотой, высокой точностью и бссконтактностью. Использование нелинейно-оптических методов,в частности, генерации второй оптической гармоники (ВГ), занимает особое положение благодаря се поверхностной селективности, связанной с симметрийшым запретом па генерацию ВГ в объеме центрально симметричных сред в дипольном приближении Д. В то жс время, хорошо известна чувствительность ВГ к магнитным свойствам сред.

и. в особенности, к свойствам границ раздела. Опа обусловлена высокой относительной величиной нелинейных магнитооптических эффектов, которые могут па порядок и более превосходить линейно-оптические аналоги в тех же средах )б, 71 Важную ипформац1по о физических свойствах системы можно получить, изучая динамику процессов, определяющих оптический отклик, поскольку они напрямую связаны с потенциальным быстродействием системы. Подобный подход хорошо развит на основе оптической методики накачки-зондирования, позволяющей получать рекордное временное разрешение для обьемных материалов [13).

В то же время, данная методика применялась достаточно редко для изучения магнитных наночастпц. Стоит отметить, что помимо использования оптических и нелипей~ооптических методов для диагностики наноструктур, важной является и обратная задача: создание с помощью папоструктурировапия желаемых оптических характеристик среды, в том числе управление нелинейно- оптическим откликом. Особый интерес в этой области вызывают металлические плазмоппые структуры )й), для которых магнитное поле люжет служить дополнительным управляющим параметром )9, 10). Для дальнейшего развития методов после,Ювания магнитных наноструктур путем генерации ВГ, а также создания структур с новыми оптическими свойствами,. актуальной задачей является выявление всех аспектов формирования магпитонпдуцированпого нелинейно-оптического отклика.

В то же время, влияние локальных поверхностных плазмопов па магнитоиндупированную нелинейно оптическую восприимчивость изучено слабо, хотя возможность соответствующих возбуждений была продемонстрирована в металлических ферромагнетиках, в частности. наночастицах и панонитях никеля )11., 12). Другим типолл систем, в которых квадратичный оптический отклик недостаточно изучен, являются структуры с пространственно-неоднородным распределением намагниченности, которое изменяет симметрпю системы. К такилл структурам относятся обсуждавшиеся вылив двумерные (слоистые) магнитные наноструктуры и структуры с вихревым распределением намагниченности.

Цель диссертационной работы состояла в экспернмеятвльном исследовании магпитоиндуцировшшого липойпого и квадратичного оптического отклика металлических магнитных наноструктур, изучении особенностей генерации второй оптической гармоники, связанных с возбуждениелл плазмонного резонанса, наличием пространственной неоднородности намагниченности, а также в исследовании врсменных характеристик их оптического отклика. В рамках цели диссертационной работы были сфорллулировапы следующие задачи: 1. Изучение спектральных свойств квадратичного оптического отклика магнитных наночастиц цилиндрической форл~ьь 2. Исследование магнитооптического и магнитного нслинсйнооптического отклика структур с пространственно-неоднородным распределениелл намагниченности: трехслойных структур ферромагнстиклдиамагнстик,, фсрромагнстнк и палючаспщ с вихревым состоянием намагниченности.

3. Исследование динамики оптического и магпитлюптического отклика планарного ллассива магнитных наночастиц. Обоснованность и достоверность Результаты, прсдставлснныс в диссертации, получены па основе многократно повторенных экспериментов, проведенных па современном пау шом оборудовании с использованием современных методов обработки данных. Экспериментальные данные подтверждены расчетами, основаннылш на адекватно выбранных физических моделях анализируемых процессов, а также пе противоречат результатам других исследователей.