Диссертация (1090272), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Расчетпроизводился с помощью уравнения (3). (б) регистрируемые спектрыизлучения ТГц. Сплошные линии (1) спектры, полученные с помощьюпреобразования Фурье измеренных ТГц сигналов. Пунктирные линии (2)соответствуют расчетным спектрам (а) с учетом ТГц отклика спектрометра.Рассчитанные спектры GdFeCo и NdFeCo показаны умноженными на 2 и 1.8соответственно. Заштрихованные области подчеркивают разницу междурасчетными и измеренными спектрами.С другой стороны, для случая сверхбыстрой динамики в NdFeCo мы неполучили ни качественного, ни количественного соответствия спектров.
В148частности, на рисунке 42 (б) видно, что в спектре магнитооптического эффектаКерра отсутствуют высокие гармоники. Это также видно из таблицы 1. Такимобразом, отсюда следует, что динамика магнитооптического эффекта Керрамедленнее, чем динамика, соответствующая ТГц излучению.Таблица 1. Ширина на половине высоты (FWHM) и среднее ожидаемое(mean) спектров на рисунке 42 (б).FWHMMOKEFWHMTHzCoGdFeCo NdFeCo0.620.760.70THzTHzTHz0.580.730.81THzTHzTHz4.4 %16 %0.650.760.67THzTHzTHz0.640.790.77THzTHzTHz/ 1.1 %4.2 %14 %|FWHMTHz –FWHMMOKE| / 6.1 %FWHMMOKEmeanMOKEmeanTHz|meanTHz–meanMOKE|meanMOKEДлятого,чтобыопределитьпроисхождениенаблюдаемыхразногласий в спектрах, отметим, что GdFeCo и NdFeCo образцы имеютаналогичные структуры.
Таким образом, слоистая структура исследуемыхобразцов не может объяснить качественно иные результаты, полученные дляэтих двух типов сплавов.Анализируя сходства и различия сплавов GdFeCo и NdFeCo, можнозаключить, что быстрая динамика в NdFeCo должна происходить из наличия149орбитальной намагниченности Nd. Поскольку расхождения в основномочевидны выше 1 ТГц, то это указывает на то, что орбитальные динамикапроисходит на шкале времени быстрее, чем 1 пс.Таким образом, в этом параграфе мы показали, что в NdFeCoприсутствует еще более быстрая динамика намагниченности, чем та, которуюудается детектировать с помощью магнитооптического эффекта Керра.
Этадинамика остается невидимой, если не использовать методов чувствительныхк суммарной намагниченности, как метод ТГц эмиссии, или методовчувствительных к абсолютно всем компонентам намагниченности. Впоследнем случае подразумеваются методы способные детектировать какспиновую, так и орбитальную намагниченность всех магнитных подрешеток.На данный момент таким методом является рентгеновская спектроскопия.5.2.Терагерцоваямодуляцияфарадеевскоговращениялазерными импульсами в Tb3Ga5O12Магнито-оптический эффект Фарадея сыграл решающую роль ввыявлении электромагнитной природы света.
Сегодня этот эффект являетсямощным средством для фундаментальных исследований магнетизма иосновным принципом в работе магнито-оптических модуляторов. В этомпараграфе предлагается концептуально новый подход к терагерцовоймагнито-оптической модуляции с перестраиваемой частотой.
Метод основанна нелинейно-оптическом взаимодействии двух лазерных импульсов,распространяющихся навстречу друг другу. С помощью галлиевых гранатовтербия(Tb3Ga5O12)показанавозможностьтакоймагнитооптическоймодуляции с частотой до 1.1 ТГц. При изменении величины внешнегомагнитного поля, частота модуляции может непрерывно подстраиваться,достигая 1.1 ТГц. Помимо новой концепции для сверхбыстрой модуляцииоптической поляризации, эксперименты показывают важность учета эффектов150распространения в интерпретации магнитооптических экспериментов пометоду оптической накачки и зондирования.Известно, что эффект Фарадея может быть усилен с помощьюнеоднородностей комплексного коэффициента преломления в среде [248,249].Если такая неоднородность начинает двигаться в среде в направлениираспространения света, то такое распространение приводит к модуляциимагнитооптическогоэффектаФарадея.Акустическиесолитоны,индуцированные коротким лазерным импульсом, являются примером такихдвижущихся неоднородностей, которые создаются напряжениями в среде[250–253].
В этом случае частота модуляции эффекта Фарадея определяетсяскоростью звука в среде, и находится в диапазоне ГГц. Если представить, чтотакая неоднородность движется с релятивистской скоростью, то частотамодуляции может быть многократно повышена. Именно такой принцип ипредлагается в данном параграфе для модуляции эффекта Фарадея.Для того, чтобы проверить этот подход, проведены исследованиядинамики магнитооптических эффектов в геометрии Фарадея, в котороминтенсивный фемтосекундный лазерный импульс (накачка) с центральнойэнергией фотонов 1.55 эВ распространяется в среде и взаимодействует с ней.Намного более слабый импульс (зонд) взаимодействует со средой, которая доэтого была приведена в возбужденное состояние импульсом накачки.Используя линейно поляризованные импульсы длительностью порядка 70 фсизмерялась динамика эффекта Фарадея, которая индуцировалась короткимимпульсом накачки.Схема эксперимента показана на рисунке 5(а).
Дляисследований мы выбрали парамагнитный кристалл Tb3Ga5O12, который былвырезан вдоль кристаллографической плоскости (111). Толщина кристалласоставляла L = 1 мм. Tb3Ga5O12 является одним из основных составляющихбольшинства магнитооптических модуляторов и оптических изоляторов. Этотматериал характеризуется огромными величинами Фарадеевского вращения,хорошей прозрачностью в видимом диапазоне [254–256]. Схема электронныхуровней ионов Tb3+ ионов и состояния его основного мультиплета 7F6 в151Tb3Ga5O12 были тщательно изучены [257] и показаны на рисунке 5(б). Энергиифотонов пробного импульса были выбраны 1.24, 2.48 и 3.1 эВ.
Энергиифотонов по отношению к состояниям в ионе Tb3+ также показаны на рисунке43 (б).Нарисункефарадеевского6авращения,показанатипичнаяиндуцированноговременнаяимпульсомзависимостьнакачки.Длясравнения также показана интенсивность прошедшего через образец света какфункция времени. В этом эксперименте энергия фотонов зонда составляла 3.1эВ, приложенное поле было равно 0.5 Тесла, а температура была равна 1.7 К.Видно, что вращение Фарадея осциллирует, но осцилляции сохраняютсятолько в ограниченном временном окне после возбуждения импульсомнакачки Δτ≈13 пс.
После этого Применив преобразование Фурье к измереннойвременной зависимости можно увидеть, что частота осцилляций несоответствует никакому из переходов в ионе Tb3+. Переходы между уровнямиосновного мультиплета иона Tb3+(1,36 и 2.25 ТГц), ни фононные моды (5.1и5.4 ТГц) также проявляются в измеренной временной зависимости [257–260].Тем не менее, самый интенсивный пик соответствует осцилляции, котораяпропадает при задержке 13 пс. Следует отметить, что самая высокая частота,наблюдаемая в эксперименте, составляет около 7.27 ТГц. Это указывает на то,что временное разрешение в эксперименте не хуже 140 фс. Следует отметить,что определение временного разрешения с помощью сигнала, которыйвозникает во время перекрытия импульсов накачки и зондирования, можетошибочно может привести к выводам о намного худшем временномразрешении. .
При этом, если возбуждение производилось циркулярнополяризованным импульсом, то наблюдались осцилляции на частотепарамагнитного резонанса [261,262], которые не пропадали при задержке 13пс.Для выяснения природы колебаний, которые резко пропадают призадержке 13 пс, измерено вращение Фарадея в различных магнитных поляхпри Т = 1,7 К (рис. 44 а). Колебания пропадали всегда и независимо от152величины магнитного поля при задержке Δτ ≈ 13 пс. Упомянутые вышеколебания доминировали в измеряемом сигнале. Их частота менялась от 0.1до 1.1 ТГц при увеличении магнитного поля от 0.01 Тесла до 7 Тесла.Примечательно, что, если эти колебания произошли бы вследствие спиновогорезонанса, такое изменение частоты соответствовало бы огромномуэффективному g-фактору geff = 55.
Из рис. 43 видно, что частота этогоколебания имеет совершенно другую полевую зависимость, чем полеваязависимость для переходов между состояниями иона Tb3+ [261,262]. Болееэтого, интересующая нас частота ведет себя как намагниченность.153(а)(б)Рисунок 43.
Геометрия эксперимента и электронной структуры Tb3+. (а)экспериментальнаяФарадеевскогогеометрия,вращениякотораялучомиспользуетсязондирования.дляВизмеренияэкспериментеприкладывается внешнее магнитное поле B0 вдоль кристаллической оси [111].Эта ось совпадает с нормалью образца. Зонд падает на образец по нормали, вто время как угол падения накачки 5° от нормали. Элементы обозначенные какλ / 2, WP , BD соответствуют полуволновой пластинке, призме Волластона ибалансированному детектору, соответственно.(б) Электронная структураTb3+ иона в Tb3Ga5O12. Стрелками показаны энергии фотонов накачки ипробного импульсов, используемых в эксперименте. Энергии фотоновимпульсов зондирования были равны 1,24, 2,48, 3,1 эВ. Самые низкиесостояния основного мультиплета 7F6 ионов Tb3+ показаны отдельно вместе счастотой ΩCF электронного перехода между нижними подуровнямимультиплета.154(а)(б)Рисунок 44.
ЭкспериментальнонаблюдаемаясверхбыстраямодуляцииФарадеевского вращения. (а) Типичная временная зависимость Фарадеевскоговращения индуцированного накачкой в поле 0.5 Тесла и при температуре 1.7К. На вставке показана временная зависимость пропускания. (б)Фурье-спектрсигнала после исключения области перекрытия.155На Рисунках 45(в, г) показана температурная зависимость частотыколебаний, которая была измерена в магнитном поле B0 = 3 Тесла. Приповышении температуры от 1.7 до 100 К наблюдалось сильное снижениечастоты колебаний от 1.1 до 0.1 ТГц. Если частота модуляции действительнопропорциональна намагниченности, то температурная зависимость должнаследоватьзаконуКюри-Вейсаибытьобратнопропорциональнойтемпературе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
