Магнитооптические эффекты в одномерных магнитофотонных кристаллах

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиЕрохин Сергей ГеннадьевичМАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫВ ОДНОМЕРНЫХ МАГНИТОФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква 2008Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультетаМосковского государственного университета им.

М. В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор А. Б. ГрановскийОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор В. А. Кульбачинскийкандидат физико-математических наук,ст. н. с. М. Е. ЖуравлевВедущая организация:Московский государственный институт радиотехники, электроники иавтоматики (технический университет), г. МоскваЗащита состоится « 22 » мая 2008 года в 16:00 на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственномуниверситете им.

М. В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва,Ленинские горы, д.1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективногопользования физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физическогофакультета МГУ им. М.В.Ломоносова.Автореферат разослан « 22 » апреля 2008 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук, профессор2Г.С. ПлотниковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В последние годы значительное внимание уделяетсяисследованию магнитооптических (МО) свойств искусственно созданныхмагнитныхнаноструктур,ферромагнитныхнанокомпозиты,такихметалловкакитонкиепленкимагнитныхмультислойныенаосновеполупроводников,структуры,магнитофотонныекристаллы. Это связано с целым рядом факторов, имеющих как научное,так и прикладное значение.

Во-первых, МО методы весьма эффективныдляизученияособенностейразнообразныхсвойствмагнитныхнаноструктур и позволяют изучать процессы перемагничивания испиновую динамику с рекордным быстродействием,превышающимпикосекундное разрешение. Во-вторых, с помощью МО методик возможноопределение спиновой поляризации электронов всоздаваемых новыхмагнитных материалах, таких как ферромагнитных при температурахвыше комнатной разбавленных магнитных полупроводниках и оксидах, иперспективныхмеханизмовматериалахспинтроники.взаимодействияВ-третьих,электромагнитногоисследованиеизлучениясферромагнетиками и целенаправленный поиск усиления МО откликаимеет самостоятельное научное значение и необходимо для созданиянового поколения МО устройств оптоэлектроники, систем отображения,хранения и передачи информации, магнитной голографии, магнитныхсенсоров и т. д.Магнитофотонные кристаллы (МФК) – это одно-, двух-, илитрёхмерные периодические структуры, период которых сравним с длинойволныэлектромагнитногоизлученияикоторыесостояткакизнемагнитных, так и магнитных компонент [1,2].

Отличительной чертойфотонных кристаллов (ФК) является появление запрещённых зон в спектре3электромагнитного излучения, т.е. интервалов длин волн, где свет или нераспространяется, или распространяются только определённые егополяризации. Применение магнитных материалов в качестве компонентФК открыло целый ряд преимуществ, а, именно, позволило как усилитьМО эффекты, так и наметить пути к созданию управляемых магнитнымполем устройств магнитофотоники [1,2]. Однако, наличие поглощениясветавбольшинствеМОматериалахсущественноограничиваетвозможности их использования в МФК, поэтому нахождение на основетеоретическогомагнетикахконкретногоисследованиянеявляетсяМОусловий, когдапрепятствиемэффектавдляМФК,поглощениеусиленияявляетсясветавкакого-либоважнойзадачей,определяющей развитие данного направления магнитофотоники.Целью работы явилась разработка теории МО эффектов в одномерныхМФК и нахождение способов усиления этих эффектов, как за счетиспользования новых магнитных материалов, так и оптимизации характерараспределения электромагнитного поля в МФК при наличии поглощениясвета.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:- разработка методики и программного обеспечения для расчёта МОоткликамногослойныхструктурсучётомпространственнойдисперсии- нахождение условий усиления МО эффектов Фарадея и Керра водномерных МФК на основе ферритов-гранатов- исследованиевозможностинанокомпозитовииспользованиядругихматериалов,вМФКмагнитныххарактеризующихсяпоглощением света- исследование МО эффектов в резонансных МФК на основеэкситонныхвозбужденийвполупроводников4квантовыхямахмагнитныхНаучная новизна и практическая ценность.Полученныевдиссертационнойработерезультатырасширяютпредставление о МО явлениях в МФК и наноструктурах.

Выявленноесильное влияние особенностей распределения электрического поля врезонаторах типа Фабри-ПероКерра,на усиление МО эффектов Фарадея имагниторефрактивного эффекта (МРЭ) позволяет не толькодостичь высоких для этих МО эффектов значений, но и дает возможностьиспользования в МФК материалов с поглощением, таких как магнитныенанокомпозиты или магнитные полупроводники. Впервые предложена ирассмотрена модель ФК с контрастом на затухании и показано, чтокоэффициенты прохождения, отражения и поглощения света зависят отпериодическогоилинепериодическогохарактерараспределенияпоглощающих свет центров.

Предсказана возможность значительногоусиления МО эффектов в МФК на основе экситонных возбуждений вквантовых ямах. Выполненные теоретические исследования позволилипредложить новый тип управляемых магнитным полем модуляторов светана основе экситонных возбуждений в квантовой яме, существующей в ФК.Результатыоптимизацииработымогутбытьиспользованыдляразработкиифункциональных устройств магнитофотоники на основеМФК.Назащитувыносятсяосновныерезультаты,которыеможносформулировать следующим образом:1. На основе модифицированного метода трансфер-матриц рассчитаныМО эффекты Фарадея и Керра в МФК с дефектом на основе висмутсодержащего граната и определены параметры структур, прикоторых фарадеевское вращение, удельное фарадеевское вращение иМО добротность достигают максимальных значений.52.

Выявленосильноевлияниеособенностейраспределенияэлектрического поля в резонаторах типа Фабри-Перо на усилениеэффектов Фарадея, Керра и МРЭ.3. Показано,чтоналичиепоглощениясветавмагнитныхнанокомпозитах не является принципиальным препятствием длясоздания МФК на их основе. МРЭ значительно усиливается в МФК,содержащих встроенный слой магнитного нанокомпозита, и приэтом относительное изменение коэффициента отражения такихструктур при приложении магнитного поля может превышать 60%.4. ФК могут быть построены только на контрасте мнимых компонентдиэлектрическойпериодическоепроницаемости,расположениеприэтомпоглощающихнайдено,центровчтоможетприводить как к повышению прозрачности, так и к ее понижению.5. Метод расчёта оптического отклика структур, построенных наоснове квантовых ям, обобщён на магнитооптику многослойныхсистем.

Показано, что МО эффект Фарадея значительно усиливаетсяв МФК типа Фабри-Перо, содержащих в качестве дефекта квантовуюяму.Апробацияработы.Результаты,изложенныевдиссертации,докладывались и обсуждались на следующих конференциях:International Conference on Materials for Advanced Technologies 2003,Singapore, 2003; International Workshop on Novel Electromagnetic Functionsof Nanoscale Materials, Japan, 2003; International Baikal Scientific Conference"Magnetic Materials" 2003, Russia; 27th ESA Antenna Workshop on InnovativePeriodic Antennas, 2004, Spain; MRS Fall Meeting, 2004, USA; XIX и XXМеждународнаяшкола-семинар"Новыемагнитныематериалымикроэлектроники", 2004 и 2006, Москва, Россия; EASTMAG-2004,Екатеринбург, Россия; International conference “Functional Materials” 2007,6Crimea, Ukraine; Symposium and summer school "Nano and Giga Challengesin Microelectronics", 2004, Poland; MORIS-2006, Pittsburg, USA; Ежегоднаяконференция ИТПЭ ОИВТ РАН, 2003, 2004, Россия; Международнаяконференциястудентов,аспирантовимолодыхучёныхпофундаментальным наукам "Ломоносов - 2003" и "Ломоносов - 2004";Международная зимняя школа физиков-теоретиков "Коуровка - 2004" и"Коуровка - 2008", Россия; Moscow International Symposium on Magnetism,2005, Russia.Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 28 печатныхработ, включая 6 статей, 9 публикаций в материалах конференций и 13тезисов докладов.Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из шестиглав, заключения и списка литературы. Полный объём работы 115 страницмашинописноготекста,включая40рисунков,4таблицыи75библиографических ссылок.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫПервая глава диссертационной работы имеет обзорный характер. В нейизложены основные результаты экспериментальных и теоретическихработ, посвящённых физике ФК и МФК, магнитооптике многослойныхструктур и МО приложениям.Во второй главе описан метод расчёта МО эффектов в многослойныхструктурах.

Метод расчёта основан на методе трансфер-матриц собобщением на магнитооптику. Используя эту методику, удаётся получить7точноерешениеуравненийМаксвелла для планарных структур,т.е. появляется возможность учётаквадратичныхнедиагональнымпоправокпокомпонентамдиэлектрической проницаемости.В параграфе 2.1 получены решенияРис.