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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиКРУТЯНСКИЙ ВИКТОР ЛЕОНИДОВИЧМАГНИТОИНДУЦИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ ВОПТИЧЕСКОМ И НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОМ ОТКЛИКЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУРСпециальность 01.04.21 - лазерная физикаДиссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физико-математических наукдоцент Мурзина Т.В.МОСКВА - 20152СодержаниеВведение5Глава 1. Обзор литературы13§ 1.1 Общее феноменологическое описание генерации второйгармоники в средах с квадратичной нелинейностью . .

. . . . . . 131.1.1 Генерация ВГ в объемных средах с квадратичнойнелинейностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1.2 Генерация ВГ на поверхности центрально-симметричныхсред . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 15§ 1.2 Оптические и нелинейно-оптические эффекты в металлическихнаноструктурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2.1 Возбуждение плазмонного резонанса . . . . . . . . . . . . . 161.2.2 Плазмонный резонанс в продолговатых частицах . . . . . . 181.2.3 Генерация второй гармоники в плазмонных структурах . . 20§ 1.3 Магнитооптические эффекты . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . 231.3.1 Линейные магнитооптические эффекты . . . . . . . . . . . . 231.3.2 Генерация магнитоиндуцированной второй гармоники . . . 281.3.3 Экваториальный нелинейный магнитооптический эффектКерра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . 311.3.4 Генерация магнитоиндуцированной второй гармоники вметаллических наноструктурах . . . . . . . . . . . . . . . . . 35§ 1.4 Оптические эффекты в системах с нетривиальнымраспределением намагниченности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.4.1 Состояния намагниченности с ненулевым угловыммоментом . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.4.2 Вихреваянамагниченностьвасимметричныхнаноструктурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.4.3 Генерация второй оптической гармоники в структурах смагнитным тороидным моментом . . . . . . . . . .

. . . . . 45§ 1.5 Динамические характеристики процессов, определяющихоптический отклик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4831.5.1 Изучение динамики методом накачка-зондирование . . . . 501.5.2 Динамика намагниченности в ферромагнитных металлах . 521.5.3 Динамика отклика в металлических наноструктурах . .

. . 54Глава 2. ГенерацияВГвплазмоннойструктуреизнаностержней никеля56§ 2.1 Изготовление и характеризация структуры . . . . . . . . . . . . . 57§ 2.2 Изучение линейно-оптических свойств образца . . . . . . . . . . . 592.2.1 Изучение спектров отражения и поглощения .

. . . . . . . 592.2.2 Исследование линейных магнитооптических эффектов . . 62§ 2.3 Исследование нелинейных свойств методом генерации второйгармоники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.3.1 Экспериментальная установка для наблюдения второйгармоники. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.3.2 Генерация немагнитной гармоники. . . . . . . . . . . . . . . 672.3.3 Исследование магнитооптических эффектов во второйгармонике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 70§ 2.4 Обсуждение результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71§ 2.5 Выводы по второй главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Глава 3. Исследованиеструктурснеоднороднойнамагниченностью78§ 3.1 Образцы и экспериментальная установка . . . . . . . .

. . . . . . 803.1.1 Трехслойные структуры (NiFe)CoFe/Al2 O3 /CoFe . . . . . . 803.1.2 Структуры с упорядоченной вихревой намагниченностью . 813.1.3 Особенности экспериментальной установки . . . . . . . . . 83§ 3.2 Изучение магнитооптического отклика в трехслойных структурах843.2.1 Линейный магнитооптический эффект Керра . .

. . . . . . 843.2.2 Генерация магнитоидуцированной второй гармоники . . . 843.2.3 Анализ полученных результатов . . . . . . . . . . . . . . . . 87§ 3.3 Генерация второй гармоники в структурах с вихревойнамагниченностью. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . 913.3.1 Немагнитная ВГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.3.2 Магнитоиндуцированные эффекты в ВГ . . . . . . . . . . . 933.3.3 Анализ и обсуждение результатов . . . . . . . . . . . . . . . 97§ 3.4 Выводы по третьей главе . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . 1034Глава 4. Динамика оптического отклика в двумерном массивенаноструктур105§ 4.1 Образцы и экспериментальные методики . . . . . . . . . . . . . . 106§ 4.2 Динамика поворота плоскости поляризации . . . . . . . . . . . . . 1104.2.1 Короткие времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 1104.2.2 Средние времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.2.3 Большие времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114§ 4.3 Обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154.3.1 Короткие времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 1154.3.2 Средние времена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.3.3 Большие времена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119§ 4.4 Выводы по четвертой главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125Заключение127Литература1305ВведениеДиссертационнаяработапосвященаэкспериментальномуисследованиюлинейногоиквадратичногооптическогомагнитоиндуцированногооткликавметаллическихмагнитныхнаноструктурах.Актуальность темы диссертацииСовременное развитие науки и техники позволяет создавать новыефункциональные магнитные структуры различного дизайна, обладающиемодифицированными или принципиально новыми магнитными иоптическими свойствами, наличие которых невозможно для объемныхматериалов.

Формирование магнитных структур с контролируемымихарактеристиками на нанометровых масштабах дает возможностьиспользовать такие эффекты как низкоразмерный магнетизм,индуцированная намагниченность в благородных металлах, обменнаясвязь слоев с осцилляторным характером, гигантское магнитноесопротивление и многие другие. Подобные эффекты находят применениев перспективных устройствах спинтроники [1, 2]. В сфере магнитныхсистем хранения информации также имеется тенденция к уменьшениюхарактерных размеров структур и времени отклика, применяютсякомпозитные наноструктуры для создания магнитной памяти спроизвольным доступом [3, 4, 5].С фундаментальной точки зрения, возникновение новых свойствв структурах пониженной размерности связано с достижениемгеометрическим размером структуры определенного критическогозначения – длины спиновой диффузии, средней длины свободного пробегазарядов, размеров доменной стенки и т.

д. [6]. Простейшим видом такихструктур являются двумерные структуры из тонких слоев с разнымимагнитными свойствами, в которых могут наблюдаться такие явлениякак обменная связь слоев и инжекция спин-поляризованных носителей[7, 8, 9]. Одномерные структуры или нанонити интересны тем, чтовследствие малости диаметра, в них может формироваться монодоменное6по радиусу распределение намагниченности при многодоменной структуревдоль оси, кроме того в них возникают особые условия на спиновыевозбуждения [10]. Помимо устройств хранения информации, такиеодномерные структуры могут найти применение в качестве сенсоров,например, благодаря магнито-механическим эффектам [11]. В магнитныхчастицах, ограниченных по всем трем измерениям, или 0-мерныхструктурах образование доменной структуры, подобно объемным средам,уже невозможно.

Магнитные свойства при этом определяются балансомобменной энергии, магнитной анизотропии и полем размагничивания, чтоможет приводить к формированию суперпарамагнитного, монодоменногоили иных состояний намагниченности. Значительный интерес вызываетвозникновение в таких частицах топологически нетривиальныхраспределений намагниченности, имеющих средний угловой момент[12, 13]. В частности, так называемое вихревое состояние характеризуетсяазимутальным распределением намагниченности в одной плоскостис небольшой областью (сердцевиной) в центре, где намагниченностьперпендикулярна этой плоскости. Высокий интерес к таким системамвызван как перспективой практического применения подобных состоянийв связи с их стабильностью, так и фундаментальной аналогией с другимибозонными системами, в которых возникают вихри [14].Значительныйинтерескприменениюсуществующихиразработке новых магнитных наноструктур требует также и развитиясоответствующих методов их контроля и исследования.

Широкоеприменение в этой области находят магнитооптические методы благодарякомбинации относительной простоты, точности и бесконтактности.При этом использование нелинейно-оптических методов, в частности,генерации второй оптической гармоники (ВГ) занимает особое положениеблагодаря поверхностной селективности вследствие симметрийногозапрета на генерацию ВГ в объеме центрально-симметричных средв дипольном приближении [15, 16]. В тоже время, хорошо известначувствительность ВГ к магнитным свойствам сред, и, в особенности,границ раздела.

Она обусловлена высокой относительной величинойнелинейных магнитооптических эффектов, которые могут на порядок иболее превосходить линейно-оптические аналоги в тех же средах [17, 18].Стоит отметить, что помимо использования оптических и нелинейнооптических методов для диагностики наноструктур, важной является и7обратная задача: создание с помощью наноструктурирования желаемыхоптических характеристик среды, в том числе управление нелинейнооптическим откликом. Широкое применение в этой области находятметаллические плазмонные структуры [19, 20], при этом магнитное полеможет служить дополнительным управляющим параметром [21, 22, 23].Для дальнейшего развития методов исследования магнитныхнаноструктур с путем генерации ВГ, а также создания структур сновыми оптическими свойствами актуальной задачей является выявлениевсех аспектов формирования магнитоиндуцированного нелинейнооптического отклика в магнитных наноструктурах.

В то же время,влияние локальных поверхностных плазмонов на магнитоиндуцированнуюнелинейно оптическую восприимчивость изучено слабо, хотя возможностьсоответствующих возбуждений была показана в металлическихферромагнетиках, в частности, наночастицах и нанонитях из никеля[24, 25]. Другим типом систем, в которых квадратичный оптическийотклик недостаточно изучен являются структуры с пространственнонеоднородным распределением намагниченности, которое изменяетсимметрию системы. К таким структурам относятся обсуждавшиеся вышедвумерные (слоистые) магнитные наноструктуры и наноструктуры свихревым распределением намагниченности.