Автореферат (1090271)
Текст из файла
На правах рукописиКимель Алексей ВольдемаровичФОТОИНДУЦИРОВАННАЯ СВЕРХБЫСТРАЯ СПИНОВАЯДИНАМИКА В МАГНИТНЫХ СРЕДАХСпециальность: 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронныекомпоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектахАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМОСКВА – 2017Работа выполнена на кафедре наноэлектроники физикотехнологического института федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего образования «Московскийтехнологический университет» (МИРЭА).Научный консультант: доктор физико-математических наук,профессорЗвездин Анатолий Константинович(Института общей физики им.
А.М. ПрохороваРАН)Официальныеоппоненты:доктор физико-математических наук, доцент,заведующий лабораторией низких температурВладимир Витальевич Глушков(Институт общей физики им. А.М. ПрохороваРАН)доктор физико-математических наук,профессор, ведущий научный сотрудникМихаил Владимирович Логунов(Институт радиотехники и электроники им.В.А. Котельникова РАН)доктор физико-математических наук,профессор кафедры физики колебанийАлександр Павлович Пятаков(Московский государственный университетим. М.В. Ломоносова)Ведущая организация:Национальный исследовательскийуниверситет «Московский институтэлектронной техники»Защита состоится «25» декабря 2017 года в ____ часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.131.02 в Московском технологическомуниверситете (МИРЭА) по адресу: г.
Москва, Проспект Вернадского, д. 78,аудитория Д-117.С текстом диссертации можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.Автореферат разослан «___» ______ 2017 года.Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.131.02к.ф.-м.н., доцентЛ.Ю. ФетисовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРабота посвящена разработке методов фемтосекундного оптическогоконтроля параметра порядка в магнитоупорядоченных средах. В частности,исследовались эффективные механизмы действия как поляризованного, таки неполяризованного света на спины через оптическую модуляцию спинорбитального или обменного взаимодействия и без задействования тепла.
Вработе обсуждаются проблемы сверхбыстрой магнитной записи,спинтроники, магноники и фотоники на ТГц частотах в примененииширокому классу материалов, включая магнитные диэлектрики(редкоземельные ортоферриты, борат железа, гранаты), металлическиегетероструктуры Co/Pt и сплавы GdFeCo, а также полупроводники (EuTe,(Hg, Cd) Cr2Se4). В частности, в работе продемонстрирована возможностиуправляемой генерации ТГц магнонов, фемтосекундных импульсов тока иэффективной модуляции света на ТГц частотах.
Таким образом, работапоказывает, что использование фемтосекундных лазерных импульсовпозволит многократно увеличить скорость.АктуальностьВозможностьпереключениянамагниченностивмагнитоупорядоченныхсредахмеждудвумяустойчивыми(метастабильными)состояниямиявляетсяглавнымпринципомсовременной технологии хранения данных.
За последние 50 лет этатехнология претерпела несколько революционных изменений, чтопроизошло во многом благодаря прогрессу в фундаментальной науке. Наданный момент современные методы магнитной записи позволяет достичьскоростей порядка 1 нс на бит и плотности порядка 1 терабит на квадратныйдюйм, что еще несколько десятилетий назад казалось невероятным. Бурноеразвитие беспроводных технологий, которое наблюдается в наши дни, иувеличение спроса на облачные системы хранения данных гарантирует, чтои в цифровой экономике 21-го века спрос на быструю запись информациюбудет только расти. Однако современная магнитная запись основана напереключении намагниченности в магнитном поле. Быстрая записьинформации требует генерации коротких импульсов магнитного поля, чтосопровождается большими потерями энергии.
Тепло, котороевырабатывается современными облачными центрами хранения данных, ужесейчас создает серьезную проблему для дальнейшего увеличения скоростизаписи информации. Таким образом, поиск новых способов записиинформации на временах намного быстрее, чем 1 нс, и с минимальновозможным выделением тепла, а значит без применения внешнихмагнитных полей, является одной из важнейших задач, которые ставитперед фундаментальной наукой современное общество.Управление магнитным порядком вещества с помощью светаявляется интересной альтернативой для записи магнитной информации безприменения внешних магнитных полей.
Современные лазеры позволяют3генерировать импульсы света длительностью менее 100 фемтосекунд, чтонамного короче, чем любой другой способ воздействия в современнойфизике твердого тела. Может ли фемтосекундный лазерный импульсвоздействовать на спины точно так же, как это делает внешнее магнитноеполе? Хорошо известно, что намагничивание среды снимает вырождениямежду право- и лево-циркулярно поляризованными волнами, которыераспространяются в этой среде вдоль намагниченности. Такое снятиевырождения приводит в частности к таким явлениям, какмагнитооптические эффекты Фарадея и Керра. С точки зрения симметриииз этого следует, что и циркулярно поляризованный свет должен сниматьвырождение между двумя направлениями спина.
Это значит, что светспособен действовать на спины как эффективное магнитное поле. Такоедействие света было предсказано Питаевским (1961), а затем и ван декрЗилом с соавторами (1964) и получило название обратного эффектаФарадея. Исследования этого эффекта проводились в широком классематериалов, но до недавнего времени не было абсолютно никакогопонимания, насколько сильным будет опто-магнитное поле, котороесоздается в среде циркулярно поляризованным импульсом длительностьюкороче, чем 100 фс.Попытки теоретического описания действия таких короткихимпульсов на магнитную среду являются на данный момент предметомжарких споров. Дело в том, что возбуждение на временах намного короче,чем время установления термодинамического равновесия в среде, то естьвремя термализации, составляющее порядка 100 пс, приводит среду всильно неравновесное состояние. В таком состоянии многие подходы дляописания магнитной динамики становятся, строго говоря, неприменимы.
Вмагнетизме часто пользуются макроспиновым приближением иадиабатическим приближением, которые могут стать неадекватными, еслисистема не находится в состоянии термодинамического равновесия.Магнитные фазовые переходы часто описываются в терминах равновеснойтермодинамики, и такой подход тоже становится неадекватным, если речьидет о временах намного короче, чем 100 пс. На сегодняшний деньтеоретическая физика находится в поиске адекватных приближений,которые позволят построить модель отклика спинов на сверхкороткоелазерное возбуждение.
Таким образом, экспериментальное исследованиеотклика спинов в магнитоупорядоченных средах на сверхкороткое лазерноевозбуждение является на данный момент основным способом изучениясверхбыстрого магнетизма. Наконец, следует отметить, что магнитныеявления интуитивно описываются с точки зрения термодинамики, иэкспериментальныеисследованияспиновойдинамикивсильнонеравновесном состоянии с высокой вероятностью могут привести кнеожиданным открытиям.Например, первые эксперименты по управлению параметромпорядка в металлической пленке Ni с помощью фемтосекундных лазерных4импульсов стали настоящим вызовом для современных теорий вмагнетизме. В частности, в пионерской работе [1], которая былаопубликована в 1996 году и положила начало области сверхбыстрого(фемтосекундного)магнетизма,сообщалось,чтовозбуждениеметаллического магнетика импульсом длительностью порядка 100фемтосекунд приводит к частичной потере магнитного порядка иуменьшению суммарной намагниченности на временах около 1пикосекунды.
Время такого сверхбыстрого размагничивания оказалосьнамного короче, чем характерные времена всех известных на то времявзаимодействий, которые могут обеспечить обмен угловым моментоммежду спинами и решеткой (порядка 100 пикосекунд).Естественно, вскоре после этих экспериментов было сделанонесколько попыток возбудить спиновую динамику с помощьюсверхбыстрого эффекта Фарадея в магнитных материалах. Несмотря наэксперименты, которые были проведены несколькими группами в Европе,США и Японии, все эти попытки не привели к заметному действию света наупорядоченные спины.
Эти трудности вызывали серьезные сомнения ввозможности сверхбыстрого управления спинами с помощью циркулярнополяризованного света.Основнойцельюдиссертацииявляласьразработкафемтосекундного оптического контроля магнетизма. В частности,исследовались прямые эффекты действия света на спины беззадействования тепла. На момент начала работы это являлось новымнаправлением на стыке когерентной нелинейной оптики и магнетизма.Для достижения поставленной цели решался следующий комплекснаучных задач:- Исследование особенностей магнитооптическогоматериалов на сверхбыстрое лазерное возбуждение.отклика- Разработка ряда методик для экспериментального изучениясверхбыстрой спиновой динамики.- Исследование различных механизмов сверхбыстрого действияциркулярно и линейно-поляризованного и неполяризованного света наспины.- Исследование механизмов сверхбыстрого управления спиновымиволнами и спин-поляризованными токами.Методы исследования, достоверность и обоснованностьОсновным методом в данной экспериментальной работе являлсяметод оптической накачки и зондирования.
Обоснованность идостоверность результатов определяется корреляцией полученныхэкспериментальных и теоретических данных. Результаты и выводыдиссертационной работы согласуются с экспериментальными и5теоретическими данными, полученными ведущими зарубежными ироссийскими научными группами. Экспериментальные исследованияпроводились на современном высокоточном оборудовании. Дляуменьшения влияния случайных и статистических погрешностей былапроведена автоматизация экспериментальной установки, что обеспечиловысокую воспроизводимость результатов при многократных (повторных)измерениях.
Результаты проведенных исследований были представлены намеждународныхконференцияхиопубликованывнаиболеевысокорейтинговых международных рецензируемых журналах, входящих впервый квартиль базы данных Web of Science Core Collection.Апробация работыРезультаты работы доложены и обсуждены на международныхконференциях:•International Conference on Photo-Induced Phase Transitions PIPT2011, June 28-July 2 (2011).•March Meeting of American Physical Society, Dallas, USA, March20-March 25 (2011).•International Workshop on Novel trends in magnetism and optics ofnanostructures, Augustow, Poland, July 2-7 (2011).•Seagate Conclave, Belfast, Northern Ireland, June 18-19 (2012)•Joint European Symposia on Magnetism JEMS2012 Parma, Italy, 914 September (2012).•International Advanced School on Magnonics, Santa MargaritaLigure, Italy, 3-7 September (2012).•Physics@FOM Veldhoven, Veldhoven, The Netherlands, January21-22 (2013); January 20-21 (2015)•International Conference on Functional Materials, Haspra, Crimea,Ukraine September 29 - October 5 (2013).•Dynamic paths in multidimensional landscapes, Workshop, BerlinGermany, September 16-20 (2013).•Ultrafast magnetism conference, Strasbourg, France, October 28 November 1 (2013).•International Conference on Photoinduced Phase Transitions andCooperative Phenomena PIPT5 Bled, Slovenia, June 8 - 13 (2014).•Национальная конференция “Нанофизика и наноэлектроника”,Нижний Новгород, Россия,Март 9-13 (2015).•DFG Spring Meeting, Berlin, Germany, 15-20 March (2015).•International workshop on Optical Polarization Conversion at theNanoscale, Exeter, UK, June 25-26 (2015).•VI Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism", Krasnoyarsk,Russia, August 15-19 (2016).•61st Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials,New Orleans, USA, October 31- November 4 (2016).6Научная новизнаВпервые продемонстрированы фемтосекундные обратныеэффекты Фарадея и Коттона-Мутона в DyFeO3, Y3Fe5O12, FeBO3Впервые продемонстрирован фемтосекундный обратныймагниторефрактивный эффект в YFeO3, TmFeO3, FeBO3, EuTeОткрыта возможность управляемой генерации когерентныхспиновых волн на границе зоны Бриллюэна в KNiF3, где возбуждения имеютминимально возможные длины волн и максимально возможные частотыОткрыта возможность управляемой генерации фототоков наинтерфейсах Co/Pt.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
