Диссертация (1090272), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Накачка была сфокусирована на поверхности образца в пятнодиаметром приблизительно 1 мм. ТГц излучение, испускаемое образцом,136собираетсяифокусируетсянакристаллеZnSeспомощьюдвухпараболических зеркал. ТГц излучение индуцирует двулучепреломлениевнутри кристалла ZnSe благодаря электрооптическому эффекту Поккельса.Импульс оптического затвора, проходя через кристалл ZnSe, испытывал этодвулучепреломление,чтоприводилокнаведеннойэллиптичностиполяризации затвора. Используя двухфотодиодную балансную схему, мыизмеряли эллиптичность затвора как функцию временной задержки междуимпульсами накачки и затвора.
Таким образом, мы могли реконструироватькак электрическое поле испускаемого терагерцового излучения изменялось вовремени. Одновременно зондирующий импульс с интенсивностью примернов 10 раз меньше чем импульс накачки фокусировался на образец в точку,диаметр которой был приблизительно в два раза меньше диаметра лучанакачки.
Угол падения зондирующего луча составлял 25 градусов. Измеряявращение поляризации отраженного импульса зондирования, мы измерялидинамику магнитооптического эффекта Керра. Измерения проводились вмагнитных полях до 0.1 Тесла, которые прикладывались в плоскости образцов.Выполняя измерения для двух полярностей магнитного поля и беря разницумежду измерениями, можно выделить сигналы, нечетные по отношению кполю, и тем самым свести к минимуму любое влияние артефактовнемагнитногопроисхождения.Одновременноеизмерениемагнитооптического эффекта Керра и ТГц эмиссии еще более повышаетнадежность эксперимента.Оба метода зондирования сверхбыстрого размагничивания применялисьдля исследований Co и сплавов GdFeCo, NdFeCo. Ферромагнитная пленка Coтолщиной 12 нм была нанесена на стеклянную подложку толщиной 0.5 мм.Сплавы,исследованныевэтомразделе,являютсяпримерамимногоподрешеточных магнетиков.
Здесь будут обсуждаться результаты,которые были получены на сплавах Nd0.2(Fe0.87Co0.13)0.8 и Gd0.3(Fe0.87Co0.13)0.7,при комнатной температуре. Отметим, что измерения в диапазоне температур137от 150 К до 300 К, а также на сплавах Nd0.5(Fe0.87Co0.13)0.5 и Gd0.18(Fe0.87Co0.13)0.82привели к похожим результатам.Сплавы GdFeCo являются ферримагнетиками. Магнитные свойства этихсплавов в значительной мере определяются тем, что спиновые моменты Gd (4fи 5d) упорядочены антиферромагнитно спиновым моментам Fe (3d) и Со.Орбитальными магнитными моментами Gd и FeCo в этих сплавах можнопренебречь.
Важно отметить, что в Gd0.18(Fe0.87Co0.13)0.82 намагниченность FeCoбольше, чем намагниченность Gd во всем диапазоне температур. ВGd0.3(Fe0.87Co0.13)0.7 наблюдается противоположная ситуация, и в суммарнойнамагниченности доминирует намагниченность подрешетки Gd.Сплавы NdFeCo являются ферромагнетиками. В этих сплавахорбитальным моментом Nd пренебрегать нельзя, так как орбитальный моментNd больше спинового. Орбитальный и спиновый моменты Nd выравненыантипараллельно.
Несмотря на антиферромагнитное упорядочение спинов Ndи FeCo, суммарные магнитные моменты Nd и FeCo упорядоченыферромагнитно.Сплавы NdFeCo и GdFeCo были частью слоистой структуры. Чтобыпредотвратить окисление исследуемые сплавы сверху покрывались слоем SiN.Для уменьшения лазерного нагрева использовался слой AlTi, а для лучшегороста использовался буферный слой SiN. Слоистая структура показана на рис.39(а). Таким образом, наша работа включает в себя три различных классамагнитных материалов: ферромагнетик без существенного орбитальногомагнитного момента (Co), ферримагнетик без орбитального магнитногомомента (GdFeCo) и ферромагнетик с орбитальным моментом (NdFeCo).
Всемагнитные пленки имели магнитную анизотропию типа “легкая плоскость” снамагниченностью в плоскости образца. При приложении магнитного поля вплоскости таких структур было обнаружено, что коэрцитивные поля образцовне превышают 0.015 Тесла.На рисунке 39(б) показаны результаты экспериментов, в которыхизмерялся магнитооптический эффект Керра методом оптической накачки и138зондирования. Полученные сигналы были откалиброваны с учетом величинмагнитооптического эффекта Керра в состоянии равновесия так, чтовременная динамика магнитооптического эффекта Керра пересчитывалась вовременную динамику намагниченности.(б)(б)(а)(в)Рисунок 39.
(a)Схемаслоистойструктурыобразцов,которыеисследовались в этой работе. Re – редкоземельный элемент Gd или Nd.В отраженном луче зондирования детектировался магнитооптическийэффектКерра.ЭлектрическоеполеизлученнойТГцволныдетектируется с помощью метода electro-optical sampling. Поле ±0.1Тесла прикладывалось в плоскости образца.
(б) сверхбыстрая динамиканамагниченности,полученнаяизизмеренныхзависимостейсверхбыстрой динамики магнитооптического эффекта Керра. Сплошныелинии – аппроксимация с использованием функции (10) и (11). Точка 0пс соответствует перекрытию импульсов накачки и зондирования. Длянаглядностиграфикипостроенысвертикальнымсдвигом(в)Электрическое поле ТГц волн как функция времени. Для наглядностиграфики построены с вертикальным сдвигом.139Видно, что динамика намагниченности, измеренная таким образом вNdFeCo отличается от динамики в GdFeCo и Co. На рисунке 39 (с) показанывременные зависимости электрического поля ТГц волны излучаемой даннымиструктурами. С помощью проволочных поляризаторов обнаружено, чтоэлектрическое поле терагерцового излучения из всех образцов являетсялинейнополяризованнымвнаправленииперпендикулярномкнамагниченности.На рисунке 40 (а) показаны формы ТГц сигналов, измеренных длясплава Nd0.2(Fe0.87Co0.13)0.8.
Подобные кривые наблюдались и для другихобразцов. Во всех случаях наблюдалась смена знака ТГц электрического поляТГц волны при перемене направления намагниченности на противоположное.Полевая зависимость амплитуды электрического поля ТГц волны имеетхарактер гистерезиса, как это показано на вставке к рисунку 40 (а).
Этонаблюдение является наглядной демонстрацией того, что электрическое полеизлучения терагерцового пропорциональна намагниченности магнитногослоя.Для того, чтобы выявить природу излучения ТГц волны, следуетотметить, что источник может быть, как магнито-дипольного, так и электродипольного происхождения. В первом случае излучение возникает из-забыстрогоизменениядлинывекторанамагниченностиврезультатесверхбыстрого размагничивания.
Во-втором случае предполагается, чтоизлучателями являются электроны, движение которых зависит от состояниянамагниченности вследствие спин-орбитального взаимодействия [236].Понятно, что генерация ТГц излучения, индуцированная практическивидимым светом, является нелинейно-оптическим явлением, которое можноописать тензором третьего ранга. В случае электро-дипольной природыисточника ТГц излучения, этот тензор должен быть полярным, что однозначноуказываетнато,чтотакоенецентросимметричных средах.140явлениеразрешенотольковОдна из микроскопических реализаций этого механизма предложена вработе [173], где было показано, что в слоистой структуре ТГц излучениеможет генерироваться за счет обратного спинового эффекта Холла и токапротекающего через интерфейс между магнитным и немагнитным слоями.Для того, чтобы понять, является ли отсутствие центра инверсии наинтерфейсах магнитного слоя причиной генерации ТГц излучения, мыповернули образец вокруг направления магнитного поля на 180 градусов иповторили измерения.
В данном случае в выбранной системе координатнаправление спинового тока между соседними слоями в структуре поменяетзнак. Поэтому, если этот ток также является причиной ТГц излучения, тоэлектрическое поле ТГц волны тоже должно поменять знак.На рисунке 40 (а) показаны формы ТГц волны до и после поворотаобразца. Такой поворот не приводит к смене знака ТГц излучения, новыражается в “растягивании” сигнала во времени. Разные длительностиизлученных ТГц импульсов и изменения амплитуды легко объяснить разнымикоэффициентами поглощения луча накачки и генерируемого ТГц излучения встеклянной подложке. Таким образом, эксперименты не выявили никакихпризнаков того, что генерируемое ТГц излучение происходит из-за спиновоготока или других проявлений нарушения симметрии на магнитныхинтерфейсах.
Таким образом, в результате всех этих следует заключить, чтонаблюдаемое терагерцовое излучение из исследуемых образцов имеетмагнитодипольнуюприродуипроисходитиз-засверхбыстрогоразмагничивания, индуцированного лазерным импульсом накачки.141(б)(а)(в)Рисунок 40. (а)ВременнаядинамикаэлектрическогополяТГцизлучения сгенерированного лазерной накачкой в Nd0.2(Fe0.87Co0.13)0.8.Измерения были выполнены во внешнем магнитном поле +0.1 Тесла и 0.1 Тесла (+ B and – B), приложенном в плоскости образца. Измерениябыли выполнены для двух ориентаций образцов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
