Диссертация (1090272), страница 17
Текст из файла (страница 17)
В самом общем случае,фотоиндуцированное изменение отражения R/R может быть записано в виде:Δ/ = β Δ + Δ ,где r и i – так называемые коэффициенты Серафина, а Δεr и Δεi –светоиндуцированные изменения вещественной и мнимой частей тензорадиэлектрической проницаемости.Если поглощение для фотонов зондирования мало, как в нашем случае, тоизменение отражения определяется, в основном, действительной частьютензора диэлектрической проницаемости, т.е.
Δ/~ΔεR , где ΔεR = /(2 − 2 ); характеризует силу осциллятора межзонных переходов, EG – шириназапрещенной зоны, а E – энергия фотонов зондирования. Следовательно,изменение εR , вызванное незначительным внешним воздействием, может бытьнапрямую связано с изменением или , или EG. Таким образом:∆⁄ ~∆ε =∆2 − 2108−2(2 − 2 )2∆ .Рисунок 30. Динамика,индуцированная300фслазернымимпульсом в EuTe. а) Схематичное представление зонной структурыEuTe; б) схематичное описание геометрии эксперимента; в) Динамикафотоиндуцированного отражение при интенсивности накачки порядка0.04 мДж/cм2 при разных величинах внешнего магнитного поля; г)Временная динамика поворота плоскости поляризации при тех жеусловиях, что и в эксперименте по измерению фотоиндуцированногоотражения.109ЯвляетсяследствиемлифотоиндуцированнаяизменениязапрещеннойзонысилыEG,отражательнаяf или энергии шириныосциллятораможноспособностьвыяснитьспомощьюизмеренийотражательной способности в зависимости от магнитного поля.
Из работы[191] можно сделать вывод о том, что сила осциллятора межзонного переходанечувствительна к величине магнитного поля. Кроме того, известно, чтоприложение внешнего магнитного поля до 7.2 Тл эффективно уменьшает ЕuТеширину запрещенной зоны из-за уменьшения энергии взаимодействия d-fобмена. Динамика же фотоиндуцированного отражения, показанная нарисунке 30(с) явно зависит от приложенного магнитного поля. Таким образом,можно сделать вывод, что динамика фотоиндуцированного отраженияполностью определяется динамикой ширины запрещенной зоны, а значитспособна выявить динамику обменного df взаимодействия.Для того дальнейшего подтверждения этого предположения былиизмерены временные зависимости поворота плоскости поляризации импульсазондирования после отражения от образца. Таким образом, мы получилиинформацию о динамике намагниченности индуцированную короткимлазерным импульсом накачки.
Согласно геометрии эксперимента, сигналпредставляет собой сумму продольного и полярного эффектов Керра.Продольный эффект Керра пропорционален компоненте намагниченностилежащей в плоскости образца и в плоскости падения. Полярный эффект Керраопределяется компонентой намагниченности перпендикулярной плоскостиобразца. Результаты измерений динамики эффекта Керра, что практическиопределяется динамикой намагниченности, показаны на рисунке 30(d).Полученные временные зависимости были проанализированы спомощьюпреобразованияФурье.СпектрыФурьедлядинамикифотоиндуцированного отражения показаны на рисунке 31(а).
Спектрыдинамики намагниченности показаны на рисунке 31(b). Видно, что, если вдинамикеотражениядоминирует110одначастота,товдинамикенамагниченности таких частот две. Для того, чтобы определить природу этихколебаний, достаточно проанализировать динамику намагниченностей двухантиферромагнитно связанных подрешеток в сильном магнитном поле [192–196].
Известно, что движение намагниченностей описывается двумячастотами. Одна из этих мод называется квази-антиферромагнитной (qAFMR) и проявляется как осцилляции длины суммарной намагниченности.При этом направление суммарной намагниченности подрешеток не меняется.Второй является квази-ферромагнитная мода (q-FMR), которая соответствуетколебаниям вектора суммарной намагниченности без изменения его длины.Решение уравнений Ландау-Лифшица позволяет получить зависимости частотдвух этих мод как функций внешнего магнитного поля. Эти зависимостипоказаны на рисунке 31(c).Из рисунка 31 видно, что короткий лазерный импульс возбуждает обемоды антиферромагнитного резонанса. Квази-антиферромагнитная модаможет возбуждаться благодаря действию короткого лазерного импульса наобменное взаимодействие между двумя антиферромагнитно связаннымиподрешетками.Интересно, что этот механизм не может объяснитьвозбуждение квази-ферромагнитной моды. В отличии от работы, осцилляциина частоте квази-ферромагнитной моды наблюдались даже, когда внешнеемагнитное поле прикладывалось в плоскости образца.
Это означает, чтоизменение анизотропии, вызванное лазерным нагревом, не может объяснитьнаблюдаемые колебания. Мы полагаем, что квази-ферромагнитная модаможет быть возбуждена фотоиндуцированным изменением магнитнойанизотропии в ЕuТе. Действительно, так как лазерное возбуждение переводитионы из Eu2+ из f7 (L=0) состояния в состояние f6 (L≠0), то это приводит крезкому усилению спин-орбитального взаимодействия и силы магнитокристаллической анизотропии.Самым главным результатом этой работы является следующеенаблюдение. Несмотря на то, что фемтосекундный лазерный импульсвозбуждает спиновые осцилляции на двух частотах магнитного резонанса,111фотоиндуцированное отражение осциллирует преимущественно на частотеквази-антиферромагнитной моды.
Это связано с тем, что именно квазиантиферромагнитная мода изменяет скос магнитных подрешеток, а значит иизменяетсуммарнуюферромагнитнаямодаэнергиюуголdf-обменногоскосаневзаимодействия.меняетивКвази-осцилляцияхфотоиндуцированного отражения практически не видна. Ее слабое проявлениесвязано со слабым “перемешиванием” двух мод при приложении поля подуглом 45 градусов в плоскости образца [197]. Поэтому наблюдаемоевременное поведение фотоиндуцированного отражения является яркойдемонстрацией того, что динамика этого изменения определяется динамикойобменного df-взаимодействия в этом материале.
Таким образом, мы получаемоптическийзондполупроводниках.энергииобменногоЭкспериментальныевзаимодействиярезультатывмагнитныхпоказывают,чтоамплитуда колебаний фотоиндуцированного отражения достигает 0.1 %. Изнаших оценок, проведенных в оригинальной работе, следует, что такоеизменение должно соответствовать изменению ширины запрещенной зоны на1 мэВ.В заключении отметим, что в этом разделе мы показали, чтоизотропный магнитный рефракционный эффект может быть использован длямодуляции и зондирования d-f обменного взаимодействия в ЕиТе с помощьюкоротких лазерных импульсов.
Эта методика может быть использована дляисследования динамики энергии обменного взаимодействия и в другихматериалах. Очевидно, что с помощью измерений магниторефрактивногоэффекта на df переходах возможно зондировать динамику энергии обменноговзаимодействия и в других редкоземельных материалах. Как следует изпредыдущего параграфа, магниторефрактивный эффект на электронныхпереходах с переносом заряда должен позволить исследования динамикиэнергии косвенного обмена железо-кислород-железо. Магниторефрактивныйэффект в дальней инфракрасной области определяется свободнымиэлектронами и поэтому измерение этого эффекта, так же, как и измерение112магнитосопротивления, может позволить получить информацию об энергииобменноговзаимодействиямеждусвободныминосителямиилокализованными магнитными моментами. Применение метода оптическойнакачки-зондирования с измерением магниторефрактивного эффекта свременным разрешением делает возможным изучать магнитную динамику всверхбыстром режиме, даже когда обменный интеграл является функциейвремени.Рисунок 31.
Модыантиферромагнитногорезонанса.а)Фурьеспектры временных зависимостей отражения, показанных на рисунке30(в). б) Фурье спектры временных зависимостей порота плоскостиполяризации, показанных на рисунке 30(г). в) Частоты мод взятых изпреобразования Фурье как функция магнитного поля. Точками показанычастоты, полученные из зависимостей поворота плоскости поляризации.Шестиугольникамипоказанычастотыдляосцилляцийфотоиндуцированного отражения. Линии соответствуют решениямуравнений Ландау-Лифшица для квази-ферромагнитной (q-FMR) иквази-атиферроомагнитной моды (q-AFMR).1133.5. Проявление действия света на обменное взаимодействие вколлиниарных антиферромагнетикахДанный параграф является адаптированной версией следующейпубликации соискателя: D.
Bossini, S. Dal Conte, Y. Hashimoto, A. Secchi, R. V.Pisarev, Th. Rasing, G. Cerullo, and A. V. Kimel, Macrospin dynamics inantiferromagnets triggered by sub-20 femtosecond injection of nanomagnons,Nature Communications 7, 10645 (2016).Согласноформуле(22),приизмененииэнергииобменноговзаимодействия в антиферромагнетике с помощью света, момент силы,наведенный на спины таким оптическим воздействием, будет отличен от нулятолько при неколлинеарной ориентации спинов. Такая неколлинеарностьможет быть вызвана либо взаимодействием Дзялошинского-Мория, как вслучае оксидов железа, либо сильным внешним магнитным полем, как вслучае EuTe. Изменение силы обменного взаимодействия в коллинеарныхмагнетиках не приведет к импульсивному возбуждению когерентныхспиновых осцилляций на частоте магнитного резонанса просто потому, что вэтом случае световое воздействие не приводит к изменению равновесногоположения спинов.
Интересно отметить, что это не значит, что вколлинеарном антиферромагнетике спины вообще не будут реагировать наизменение энергии обменного взаимодействия. Если рассмотреть цепочку изантиферромагнитно-связанных спинов и предположить, что свет уменьшаетобменную константу и таки образом ослабляет обменное взаимодействие, тоэто повысит вероятность процессов переворота спинов в этой цепочке. Есливзять один спин, то очевидно, что спин перевернется не мгновенно. Этопроизойдет за характерное время обмена угловым моментом между спинамии решеткой. Для термодинамического равновесия и случае возбуждений вцентре зоны Бриллюэна, время спин-решеточного взаимодействия составляет100 пс. Если обменное взаимодействие меняется на временах 100 фс, то114очевидно, что вероятность переворота одного спина в результате такогоослабления обменного взаимодействия невелика. Однако, если рассмотретьпроцессы с участием двух спинов в антиферромагнетике, то такие процессыне требуют подвода или отвода углового момента.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
