Диссертация (1090272), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Пока сохраняетсякогерентностьинжектированныхкоротковолновыхмагнонов,векторантиферромагнетизма осциллирует по длине с удвоенной частотой магнона награнице зоны Бриллюэна. Используя приемы когерентного контроля, такимикогерентными магнонами легко управлять, что открывает новые перспективыдля фемтосекундной наномагноники – концептуально новой технологииобработки и информации.123Глава 4. ТЕРАГЕРЦОВАЯ МАГНИТООПТИКАПрактически до начала двадцатого века природа спонтаннойнамагниченности в магнитных материалах, а значит и притягивающая силамагнитов, была одной из загадок мироздания. В конце девятнадцатого векаоткрытия У.
Томсона (позднее лорд Кельвин) и Э. Холла показали, чтоэлектропроводность ферромагнитных металлов также является функциеймагнитного состояния среды. После открытия спина электрона стало понятно,что факт магнитосопротивления практически свидетельствует о корреляциимежду свободными электронами и спинами в магнитных металлах. В течениепоследних 50 лет прогресс в физике магнетизма можно описать двумясловами: "меньше" и "быстрее".
Изучение физики магнетизма и корреляциймежду проводимостью и магнитным состоянием вещества на все меньшихмасштабах длины привели к открытию гигантского магнетосопротивления вмагнитных наноструктурах. Это вызвало настоящий бум магнито-электроники(спинтроники) как в фундаментальной науке, так и в технологии [200,201].Важность открытия гигантского магнитосопротивления была отмеченаНобелевской премией П. Грюнбергу и А. Ферту в 2007 году. Одним изследующих вопросов, естественным образом стоящих в фундаментальныхисследованиях спинтроники, является то, как ведут себя эти электронспиновые корреляции если переключать намагниченность на все болеекоротком временном интервале.
Сохраняются ли магнитотраспортныесвойства материалов спинтроники, если приложенное напряжение изменяетсяна ТГц частотах? Как быстро изменятся отреагируют потоки зарядов насверхбыстрое изменение намагниченности в фемтосекундном диапазоне? Вэкспериментальной физике транспортных явлений такие исследованиязатруднены техническими трудностями создания электрических контактовспособных прикладывать напряжения и детектировать токи на ТГц частотах.В этой главе будут рассмотрены результаты наших последних исследований,которые позволяют сделать первые шаги в решении этих проблем. Будутрассмотрены методы ТГц магнитооптики, которая практически является124зондом магнитотраспортных свойств на ТГц частотах.
Вместо контактовэлектрическиенапряженияприкладываютсяпутемвзаимодействияэлектронов с распространяющейся электромагнитной волной на ТГц частотах.Для детектирования ТГц токов используется метод ТГц эмиссии, которыйоснованнатом,чтолюбойпеременныйтоксопровождаетсяэлектромагнитным излучением, которое можно детектировать [202].
В этойпубликации соискатель играл роль научного руководителя проекта.4.1. Терагерцовая магнитооптика ферромагнитного полупроводника(Hg,Cd)Cr2Se4Попытки понять эволюцию корреляции между транспортнымисвойствамиимагнетизмавовременисталкиваютсясдостаточносущественной проблемой. Обычные транспортные измерения, основанные наприложении электрического напряжения к образцу, достаточно тяжелопроводить со 100 пс временным разрешением. Недавно было показано, чтотерагерцовая(ТГц)спектроскопияисвободнораспространяющиесяширокополосные импульсы ТГц излучения может служить сверхбыстромзондом транспортных свойств полупроводников и полупроводниковыхнаноструктур [203]. Естественно предположить, что применение подобнойметодики также перспективно для изучения магнитотранспортных свойстввеществ ТГц диапазоне и с пикосекундным временным разрешением [204].Для таких направлений современной физики как спинтроника и сверхбыстрыймагнетизм появление методики для измерения магнитосопротивления свременным разрешением позволило бы достичь нового уровня пониманиянаучных проблем.
Тем не менее, до недавнего времени такие методикипродемонстрированы не были. До появления одной из первых работ по этойтематике измерения ТГц магнитооптического отклика с суб-100 пс временнымразрешениембылипродемонстрированылибонанемагнитныхполупроводниках, либо на магнитных диэлектриках [205–216].
Насколько125велики магнитооптическиеявления в ТГц диапазоне в магнитныхполупроводниках до недавнего времени оставалось неисследованнымвопросом.Дляизучениямагнитооптическогооткликамагнитныхполупроводников мы использовали широкополосные импульсы ТГцизлучения. Широкополосные импульсы имели спектр в диапазоне от 300 ГГцдо 2 ТГц.
В качестве ферромагнитного полупроводника был выбранHg0.92Cd0.08Cr2Se4. Подобные образцы известны своей необычно высокиммагнитосопротивлением, которое достигает 80% [217,218] Известно, чтомагнитооптический отклик этих материалов достаточно силен в среднеминфракрасном диапазоне [219–222]. В этом параграфе мы покажем, чтосостояние поляризации линейно поляризованного ТГц импульса существенноизменяется при распространении через образец. Образец был намагничен вплоскости по мере распространения света наблюдалось, что свет становилсяэллиптически поляризованным. Главная ось эллипса также поворачивалась помере распространения света через образец.
Как поворот оси, так и наведеннаяэллиптичность зависели от намагниченности четным образом. Нашиизмерения позволили выявить зависимости поворота эллиптичности отчастоты ТГц излучения, величины внешнего магнитного поля и температуры.Эти исследования позволили нам установить, что эффект измененияполяризации ТГц излучения является следствием линейного магнитногодвупреломления и дихроизма. Эти эффекты достигали величин порядка 103радиан/(Т м).Исследованный образец представлял собой толстую кристаллическуюпластину Hg0.92Cd0.08Cr2Se4 250 мкм, которая была выращена методомтранспортной химической реакции с использованием CrCl3 в качестве агента[223]. Кристаллическая структура образца близка к кубической и принадлежитк группе симметрии шпинели (пространственная группа Fd3m).
Кристалл былразрезан перпендикулярно к кристаллографической оси [111]. Температура126Кюри материала, который представляет собой полупроводника р-типа,составляет около 120 К.В принципе действия ТГц генератора для спектрометра лежитнелинейно-оптическоеявлениеоптическоговыпрямления.Лазерныеимпульсы длительностью 50 фс, которые генерировались титан-сапфировымлазером усиливались так, что получалась последовательность импульсов сцентральной длиной волны 800 нм и с частотой повторения 1 кГц.
Каждый изэтих импульсов был разделен на две части. Одна часть попадала на кристаллZnTe толщиной 1 мм. Таким образом, генерировалось ТГц излучениеблагодаря явлению оптического выпрямления. Используя параболическиезеркала с золотым покрытием, ТГц излучение фокусировалось на образец.Образец находился в криостате типа холодный палец”, который охлаждалсядо гелиевых температур.Криостат был установлен между катушкамимагнита, способного генерировать магнитные поля до 0.1 Тесла. Полеприкладывалось в плоскости образца вдоль оси [11-2]. Дополнительная парапараболических зеркал использовалась для сбора терагерцового излучения,прошедшего через образец, и фокусировки — этого излучения на кристаллZnTe. Электрическое поле ТГц излучения наводило в кристалле линейноедвупреломление.
Вторая часть лазерного импульса использовалась длядетектирования этого двупреломления подобно методу оптической накачки изондирования.Поляризациядвухфотодиодноголазерногобалансноголучадетектора.измеряласьПосколькуспомощьюZnTeявляетсянецентросимметричным кристаллом, выходной сигнал детектора былпропорционален величине и знаку электрического поля ТГц волны.Для чувствительного детектирования магнитооптических эффектов начастотах ТГц мы использовали сетчатые поляризаторы с прозрачностью более95% в диапазоне частот от 0 до 2 ТГц. Коэффициент экстинкцииполяризаторовна1ТГцсоставлялприблизительно2000.Схемаэкспериментальной установки с тремя поляризаторами представлена нарисунке 36 (а). Первый поляризатор был расположен между кристаллом ZnTe,127в котором генерировалось ТГц излучение, и образцом. Непосредственно послеобразца были помещены второй и третий поляризаторы.
Ось второгополяризатора была ориентирована под углом 45 градусов по отношению кмагнитномуполю.Осьтретьегополяризатораориентированаперпендикулярно к приложенному магнитному полю. Как было описано вработе [224], такая установка дает возможность определить вращение иэллиптичность передаваемого ТГц-излучения.Пример измеренной траектории электрического поля ТГц волны показанна рисунке 36 (б); Динамика электрического поля ТГц волны в пространствепоказана красной линией. При этом, черная линия показывает проекциюэлектрического поля на плоскость параллельной плоскости образца (т.е.плоскость перпендикулярная направлению распространения ТГц волны).
Нарисунке 36 (с) эта проекция (черная линия) показана для случаев приприложенном магнитном поле и без него. Из этого рисунка следует, что полеиндуцирует как вращение, так и эллиптичность ТГц импульса, прошедшегочерез образец. Это является признаком магнитооптического эффекта.Из измеренных полных траекторий ТГц электрического поля мырассчитали эллиптичность и вращение с использованием алгоритмаописанного в работе [224].
На Рисунке 37 (а) и 37 (б) показано вращение иэллиптичность как функции магнитного поля. На графиках видно, чтомагнитное поле наводит эллиптичность и приводит к повороту оси эллипса.При этом и эллиптичность, и поворот являются четными функциями внешнегомагнитного поля.
Из полученных зависимостей видно, что в поле порядка 0.1Тесла поворот и вращение достигают 3 градуса, что соответствует 2*10 3 рад /(Т м). Эта величина магнито-оптического эффекта является огромной посравнению с магнитооптическими эффектами, измеренными в видимойобласти спектра, а также по сравнению с Фарадеевским вращением в ТГцдиапазоне [206,215].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
