Диссертация (1090272), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Если накачкауменьшает эту энергию, то обменное взаимодействие становиться сильнее.Если энергия перехода становится больше, то обменное взаимодействиестановится слабее. Вероятность прыжка с иона железа на ион кислородаможно также существенно понизить путем создания деструктивнойинтерференции волновых функций [182]. Используя эту простую теорию иданные из нашего эксперимента U = 3 eV, Δ = 0.25 eV, t0 = 0.5 eV, ħω = 1.5 eV,было найдено, что оптический импульс с интенсивностью 1 мДж/cм2 иамплитудой электрического поля 1.2 В/нм должен приводить к увеличениюобменного взаимодействия ΔJ/J на 1%. К сожалению, эта модель не позволяетоценить действие света на взаимодействие Дзялошинского-Мориа.
Эта задачаявляется одной из нерешенных и актуальных проблем магнетизма, надкоторой в данное время работают несколько групп.Для того, чтобы определить, приводит ли лазерное возбуждение куменьшению или увеличению соотношения D/J мы воспользуемся сильнойтемпературной зависимостью магнитной анизотропии.
Например, нагреваниеTmFeO3 от 80 К до 90 К приводит к изменению равновесной ориентации101слабого магнитногомомента иегоповороту на 90 градусов откристаллографической оси x к оси z. Если равновесная ориентация изменяетсяв результате нагрева фемтосекундным лазерным импульсом, такое изменениесопровождается колебаниями слабого магнитного момента в плоскости XZ начастоте квази-ферромагнитного резонанса (~ 100 ГГц) [178,179]. Какобсуждалосьвсоответствующиеработе[171],такиеквази-ферромагнитномунизкочастотныерезонансу,колебания,наблюдаютсявспектрах излучения ТГц в интервале от 55 К и 68 К вместе свысокочастотными осцилляциями на частоте квази-антиферромагнитноймоды (см. рисунок 27).
Для выявления относительных фаз этих колебаний мыприменили фильтры нижних частот (частота среза 250 ГГц) и фильтр высокихчастот (частота среза 650 ГГц). Такой спектральный анализ позволяетизбавиться от так называемых примесных мод, которые усложняют анализвременных зависимостей. Как видно из рисунка 27, высокочастотная мода,измеренная при температуре 60 К, находится в фазе с высокочастотной модой,измеренной при температуре 40 К.
Начальные же фазы низко- ивысокочастотных мод смещены друг относительно друга на 180 градусов. Вдиапазоне спин-реориентационного перехода спины в TmFeO3 вращаются вплоскости (xz) сохраняя намагниченность в той же плоскости. При низкойтемпературе намагниченность ориентирована вдоль оси x. Вследствиелазерного нагрева намагниченность начинает вращение, уменьшая проекциюнамагниченности на ось x. В то же время, действие света на соотношение D/Jтакже изменяет проекцию на ось x. В TmFeO3 с осью z, перпендикулярнойплоскости образца, лазерный нагрев вызовет уменьшение проекциинамагниченности на ось x. Сдвиг по фазе между квази-ферромагнитной иквази-антиферромагнитной модой говорит о том, что начальная фаза квазиантиферромагнитноймодысоответствуетувеличениюпроекциинамагниченности на ось x.
Отсюда следует, что свет приводит к увеличениюскоса подрешеток, а значит и к увеличению соотношения D/J.102Для того, чтобы понять, на каком временном интервале происходитизменениеобменныхконстант,былипроанализированывременныезависимости излученных волн и проведено сравнение с расчетнымизависимостями. Расчеты проводились на основе уравнений Максвелла призаданнойамплитудеивременнойзависимостисоотношенияD/J.Количественный анализ находится в полном согласии с утверждением, чтосвет действует на спины в субпикосекундном диапазоне (см. рисунок 28).Рисунок 27. Определениеабсолютногознакамоментасилыдействующего на спины после изменения соотношения D/J.
а) Схемывращенияспиновдляквази-ферромагнитной(слева)иквази-антиферромагнитной (справа) моды. б) Излучение, измеренное при 60 К(зеленая линия) и при 40 К (малиновая линия). Красная и синяя линиисоответствуют осцилляциям квази-антиферромагнитной (красная) иквази-ферромагнитноймодыфильтрации.осцилляцийНачало(синяя),полученнымпоказывает,чтоврезультатефазымодпротивоположны, что свидетельствует о том, что действие света наобменные константы увеличивает соотношение D/J.103Рисунок 28. Сравнениеэкспериментальныхирасчетныхвременных зависимостей ТГц волн. a) Сигнал, который генерируетсяв TmFeO3 при температуре 50 K (пустые круги) вместе с расчетнымизависимостями (линии) в приближении, что соотношение D/J изменяетсяво времени по гауссовому закону с шириной 0.1 пс, 0.5 пс и 1 пс.
Изрисунка видно, что, если изменения длиннее, чем 0.5 пс, тоэкспериментальные зависимости плохо согласуются с расчетными наначальном этапе осцилляций.Проводя калибровку наблюдаемых сигналов, можно получить, что принакачке светом с интенсивностью порядка 1 мДж/см2, соотношение D/Jизменяется более чем на 0.01 %. Такое изменение соответствует генерацииэффективного магнитного поля величиной порядка 0.01 Тесла.
Принимаяво внимание интенсивности накачки, эта величина соответствует одному изсамых сильных воздействий света на спины [112,168].1043.4.Светоиндуцированнаядинамикаэнергииd-fобменноговзаимодействия в EuTeДанный параграф является адаптированной версией следующей публикациисоискателя: R. R. Subkhangulov, A.
B. Henriques, P. H. O. Rappl, E. Abramof, Th.Rasing, A. V. Kimel, All-optical manipulation and probing of the d-f exchangeinteraction in EuTe, Scientific reports 4 4368 (2014).Теллурид европия EuTe давно известен как материал, оптическиесвойства которого сильно зависят от магнитного состояния вещества [183–189]. В основном состоянии ионы Eu2+ находятся в f7 конфигурации.Магнитный порядок происходит из-за косвенного обменного взаимодействияспинов ионов Eu2+ через ионы Te2-.
Такое f-f обменное взаимодействиеприводит к антиферромагнитному упорядочению c температурой Нееля 9.6 К.В результате, EuTe является гейзенберговским антиферромагнетиком соспинами,упорядоченнымивплоскости(111).Антиферромагнитноеспаривание работает между спинами в соседних плоскостях (111).Приложение относительного малого внешнего магнитного поля порядка 0.08Тл приводит к спин-флоп переходу с последующим скашиванием магнитныхподрешеток. Интересно, что возбуждение одного f-электрона иона железа в dзону приводит к эффективному изменению обменного взаимодействиявследствие того, что природа df-обменного взаимодействия отлична оттаковойдляописываетсяf-fвзаимодействия.механизмомТакоеdf-обменноевзаимодействиеРудермана-Киттеля-Касуя-Иосиды(РККИ),является ферромагнитным и, как показано на рисунке 29(а), фотовозбуждениеэлектронов в зону проводимости может изменять эффективное обменноевзаимодействеи между f-спинами Вследствие того, что переходы спереворотом спина в электродипольном приближении запрещены, еслиматериал находится в упорядоченном и антиферромагнитном состоянии, тоэнергия перехода из валентной зоны f 7 в зону проводимости d1f6 определяетсяэнергией df-обменного взаимодействия.
Как показано на рисунке 29(b),105приложение магнитного поля порядка 7 Тл, которое выравнивает подрешетки,выстраивая их намагниченности параллельно, сопровождается изменениемширины запрещенной зоны EuTe. Благодаря такому сильному эффекту,отслеживая ширину запрещенной зоны, можно следить за энергией dfобменного взаимодействия в EuTe.Исследовать динамику запрещенной зоны можно по динамике такихотносительно легко оптически измеряемых величин, как интенсивностьотраженного или интенсивность прошедшего через полупроводник света. Дляисследования индуцированной лазером динамики запрещенной зоны и спиновв EuTe мы измеряли динамику интенсивности отраженного света имагнитооптический эффект Керра (поворот плоскости поляризации приотражении от образца) используя оптический метод накачки и зондирования.Для исследований использовалась тонкая пленка EuTe толщиной 4 мкм.Пленка была выращена методом молекулярно-лучевой эпитаксии наподложках BaF2 с кристаллографической ориентацией (111).
Пленка EuTeбыла защищена 40-нм слоем BaF2. Эксперименты проводились в диапазонетемператур 1.5 К - 30 К в атмосфере гелия и в магнитном поле до 7 Тл. Полесоставляло угол 45 градусов по отношению к поверхности образца т.е. кплоскости (111).106Рисунок 29. Cхематичноепредставлениевзаимосвязимеждуоптическими и магнитными свойствами в EuTe а) В магнитном поле,которое частично скашивает подрешетки, возбуждение электрона изполузаполненной 4f-орбитали в 5d-орбиталь наводит ферромагнитноеdf-обменное взаимодействие и вызывает еще большее скашиваниемагнитных подрешеток ионов Eu2+.
б) Магнитное поле скашиваямагнитные подрешетки эффективно уменьшает суммарную энергию dfобменного взаимодействия для возбуждаемого электрона и такимобразом уменьшает запрещенную зону.Для измерений пометоду оптической накачки-зондированияиспользовался титан-сапфировый лазер с последующим усилением лазерныхимпульсов. Мощность импульса накачки не превышала 100 мкДж/cм2.Длительность импульса накачки была около 300 фс, а импульса зондирования- около 60 фс. Накачка была выбрана так, что центральная энергия фотонабыла равна 3 эВ.
Центральная энергия фотона в импульсе зондирования былаоколо 1.5 эВ. Угол падения луча накачки составлял 45 градусов, а лучазондирования – 55 градусов. Такая геометрия позволяла с помощьюмагнитооптического эффекта Керра измерять одновременно вклады откомпонент намагниченности как параллельно, так и перпендикулярноплоскости образца. Зонная структура по отношению к энергиям фотонов107накачки и зондирования показана на рисунке 30(а). Рисунок 30(b) даетпредставление о геометрии эксперимента.Результаты измерения динамики относительного отражения послевозбуждения EuTe коротким лазерным импульсом показаны на рисунке 30(с).Для интерпретации динамики заметим, что энергии фотонов импульсазондирования значительно меньше энергии ширины запрещенной зоны.Известно, что коэффициент поглощения при возбуждении в запрещеннуюзону достаточно мал (меньше, чем 0.01 1/мкм) [190].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
