Диссертация (1090272), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Таким образом, мгновенноеослабление обменного взаимодействия может привести к двух-спиновымвозбуждениям. Согласно закону сохранения импульса, эти возбуждениядолжнысоответствоватьгенерациимагнонов(спиновыхволн)спротивоположными волновыми векторами. Таким образом, в коллинеарноммагнетикеизменениевеличиныобменногоинтегралаприводиткдвухмагнонным возбуждениям [26,198]. Вероятность таких возбужденийзависит от плотности состояний магнонов, которая растет при приближении кгранице зоны Бриллюэна. На границе зоны Бриллюэна вероятность такихдвух-магнонных процессов максимальна. Длина волны таких магноновсоставляет порядка 1 нм.
В оптической спектроскопии генерация магнонов награнице зоны Бриллюэна хорошо известна, как двухмагнонное рассеяниесвета [197,199].Интересно рассмотреть, как инжекция магнонов на границе зоныБриллюэна проявляется в динамике макроскопического параметра порядка.Экспериментальное исследование такой динамики было проведено вклассическомантиферромагнитномдиэлектрикеKNiF3.Этотантиферромагнетик упорядочен ниже 246 К и линия двухмагнонногорамановского рассеяния в этом материале настолько велика, что онадоминирует во всем спектре рассеяния. Линия имеет частоту 22 ТГц.
Такоевозбуждение соответствует генерации двух магнонов с частотами 11 ТГц ипериодами 90 фс. По аналогии с одномагнонным рассеянием, используялазерные импульсы длительностью намного короче, чем период магнона,возможнореализоватьмеханизмимпульсногостимулированногорамановского рассеяния. Для такого импульсного возбуждения двух магноновна границе зоны Бриллюэна мы использовали импульсы длительностьюкороче, чем 20 фс с центральной энергией фотонов 2.2 эВ.
После возбуждения115KNiF3 таким импульсом, лазерные импульсы такой же длительности и сцентральной энергией фотона около 1.3 эВ использовались для измерениядинамики параметра порядка. Рассеяние света на паре магнонов можнопредставить в виде двух спин-флип событий - по одному на каждойподрешетке. Таким образом, суммарный спин антиферромагнетика остаетсянеизменным[197–199](рис.32а).Следовательно,используямагнитооптические эффекты Фарадея и Керра, которые позволяют измерятьсуммарную намагниченность, невозможно отследить динамику такогомагнитного возбуждения.
С другой стороны, эффекты второго порядка поспину, такие как магнитооптические эффекты Коттона-Мутона и Фойхта,должны быть чувствительны к таким двухмагнонным возбуждениям [26].Можно показать, что когерентная суперпозиция двух магнонов, созданнаяимпульсивным лазерным возбуждением, приведет к осцилляциям длинывектора антиферромагнетизма на частоте двухмагнонногорезонанса.Простые, но громоздкие выкладки приведены в supplementary materialоригинальнойстатьи.Здесьмысконцентрируемсянарезультатахэкспериментов, показанных на рисунке 32(б), где после возбуждения KNiF3коротким лазерным импульсом и инжектирования магнонов на границе зоныБриллюэнамыпроводилиисследованиединамикивектораантиферромагнетизма с помощью эффекта линейного антиферромагнитногодихроизма, который проявлялся в повороте плоскости поляризации линейнополяризованного света по мере распространения через кристалл KNiF3 (100).Энергия фотонов накачки (зеленый импульс) был настроен на 2.2 эВ, чтосоответствует окну прозрачности материала.
Центральная энергия фотоналуча зондирования (красного импульса) составляла 1.3 эВ. Стрелки уимпульсов указывает на направление распространения лазерных лучей.На рисунке 33(а) показан пример результатов таких измерений.Импульс луча зондирования был также поляризован вдоль оси z. Температураизмерений соответствовала 80 К, а интенсивность накачки была выставлена науровне 8.6 мДж/см2. Видно, что короткий лазерный импульс инициирует в116среде некую динамику, которая приводит к осцилляциям поворота плоскостиполяризации.
Период осцилляций совпадает с периодом двухмагнонноговозбуждения. На колебательную динамику накладывается некогерентнаядинамика, которая проявляется в увеличении фона. Измерения для двухориентации линейных поляризаций импульса зондирования показали (см.рисунок 32(б)), что фаза колебаний меняется при изменении ориентациилинейной поляризации.
Это говорит о том, что поворот плоскостиполяризациивызвансимметричнойчастьютензорадиэлектрическойпроницаемости. Эта часть является четной функцией спина и явлениеповорота поляризации может быть описано как следствие эффекта линейногодихроизманаведеннымвекторааниферромагнетизма.Осцилляциисоответствуют осцилляциям вектора антиферромагнетизма по длине, какпоказано на рисунке 33(а).117Рисунок 32. Двухмагнонное рассеяние и схема эксперимента. а)Двухмагнонное возбуждение соответствует перевороту спина в каждойиз антиферромагнитно связанных магнитных подрешеток (красныестрелки). Намагниченность каждой из подрешеток уменьшается в товремя как общая намагниченность антиферромагнетика не меняется.Вектор антиферромагнетизма уменьшается по длине (синия стрелка).Когерентная суперпозиция основного и возбужденного состояниядолжна привести к осцилляциям вектора антиферромагнетизма подлине.
(б) Схематическое представление геометрии эксперимента.118Рисунок 33. Динамика вектора антиферромагнетизма, индуцированнаякоротким лазерным импульсом, распространяющимся вдоль оси у иполяризованного вдоль оси z. Стрелками показана соответствующаядинамика z-компоненты вектора антиферромагнетизма. После действияимпульса инжектированные магноны уменьшают длину вектораантиферромагнетизма и запускают осцилляции этого вектора судвоенной частотой магнона на границе зоны Бриллюэна. (б) Измерения,проведенные для двух ориентаций поляризации луча зондирования.Поворот поляризации на 90 градусов меняет фазу осцилляций на 180градусов. Температура была выставлена на уровне 80 К, а интенсивностьсоответствовала 12 мДж/см2.Для того, чтобы выявить природу колебания на частоте 22 ТГц, мыпровели измерения при разных температурах образца; результаты показаны нарисунке 34(а). Видно, что частота осцилляций и время их затухания сильно119меняются при приближении к температуре Нееля.
Проведя анализ Фурье,частота и ширина спектральной линии, полученные из обработки временныхзависимостей, были построены как функции температуры и результат показанна рисунках 34(б) и (в), соответственно. Эти величины удобно сравнить счастотой двухмагнонной линии рамановского рассеяния и шириной этойспектральной линии на полувысоте, полученными экспериментально методомспонтанного рамановского рассеяния. Результаты временных и частотныхизмерений находятся в идеальном соответствии, что указывает на то, чтовектор антиферромагнетизма осциллирует на удвоенной частоте магнона награнице зоны Бриллюэна.В заключении стоит отметить, что возможность инжектироватькогерентные спиновые волны на границе зоны Бриллюэна позволяетосуществлять когерентный контроль этих возбуждений с помощью света.Посылая два импульса накачки и меняя задержку между ними можно легкоуправлять амплитудой осцилляций (см.
рисунок 35).В этом параграфе было показано, что действие света на обменноевзаимодействиевколлинеарномантиферромагнетикеприводиткэффективному возбуждению магнонов на границе зоны Бриллюэна. Такаяинжекция приводит к осцилляциям вектора антиферромагнетизма на частотахсоответствующих удвоенной частоте магнона на границе зоны Бриллюэна.Используя приемы когерентного контроля, такими когерентными магнонамилегко управлять. Принимая во внимание фемтосекундный период такихмагнонов и нанометровые длины волн, возможность инжекции и когерентногооткрывает новые перспективы для фемтосекундной наномагноники –концептуально новой технологии обработки и информации.
В отличие отэлектроники, основанной на управлении потоком фермионов, магноникаоснована на управлении потоками бозонов, что может позволить многократнопонизить диссипации энергии в процессе обработки информации.120Рисунок 34. Температурнаязависимостьдинамики.плоскости(а)температурахвращениеобразца.Лучисверхбыстройполяризациинакачкииспиновойпризондированияразныхбылиполяризованы линейно вдоль осей z и у, соответственно. Интенсивностьнакачки была выставлена на уровне 8.6 мДж/см2. (б) Температурнаязависимость частоты пика двухмагнонного рассеяния, полученногоэкспериментально методом спонтанного рамановскогорассеяния(квадраты), и путем преобразования Фурье временных зависимостей нарисунке (а) (круги). (в) Ширина на полувысоте определенная изпреобразования Фурье временных зависимостей на рисунке (а) испектров двухмагнонного рамановского рассеяния (в).121Рисунок 35.
Когерентный контроль спиновой динамики. (а) Синие ичерные пунктирные следы были получены с использованием импульсанакачки, линейно поляризованного вдоль z (синие кружки) или вдоль xоси (черные квадраты). Фаза колебаний в двух экспериментах сдвинутана 180 градусов. Зеленая и красная кривые получены после возбуждениядвумя импульсами накачки, разнесенными во времени на Tpumps на 45 фси 22.5 фс, соответственно. Видно, что амплитуда осцилляций зависит отрасстояния между импульсами. (б) амплитуда осцилляций как функциявремени задержки между двумя импульсами накачки.1223.6. Выводы по главе 3.В этой главе было показано, что изотропный опто-магнитный эффект,который также можно назвать обратным магиторефрактивным эффектомпозволяет воздействовать на обменное взаимодействие между спинами нафемтосекундных временах и практически в любом материале.
Существованиетакихэффектовдоказановширокомклассематериаловдоказаноэкспериментами в оксидах железа с неколлинеарной спиной структурой,вызваннойвзаимодействиемДзялошинского-Мориа.Благодарятакойнеколлинеарности, изменение обмена на коротких временах приводило кзапуску когерентных осцилляций намагниченности. Даже если обменноевзаимодействие восстанавливалось сразу после действия фемтосекундногоимпульса, эти осцилляции намагниченности можно было детектировать наболее долгих временах. Осцилляции намагниченности соответствовали модеантиферромагнитного резонанса в центре зоны Бриллюэна. Тот же приемиспользовался и для демонстрации эффекта света на обменное взаимодействиев EuTe, где неколлинеарность была вызвана внешним магнитным полем. Вколлинеарном магнетике изменение энергии обменного взаимодействия неприводит к генерации магнонов в центре зоны Бриллюэана, но может привестик эффективной инжекции магнонов на границе зоны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
