Диссертация (1090272), страница 26
Текст из файла (страница 26)
в направлении оси y. Интересно,что в отличие от фототока вдоль оси x, фототок вдоль оси y зависит отповорота намагниченности индуцированного светом, а не от степениразмагничивания. Как следствие, поляризационно зависимый ток будетнаблюдаться даже в случае, когда свет не приводит к значительному нагревуметалла и к его размагничиванию.На рисунке 46(б) показана временная динамика электрического поляТГцизлучения,котороегенерировалосьвобразцециркулярнополяризованным светом. ТГц излучение, которое детектировалось в этомэксперименте, было поляризовано вдоль оси y.
Все измерения проводились вовнешнем магнитном поле вдоль оси y величиной 0.1 Тесла. Такое поле былодостаточно сильным для насыщения намагниченности образца вдоль оси y.Видно, что в этих измерения фаза электрического поля сгенерированной ТГцволны менялась на 180 градусов при изменении циркулярности света. Рисунок46(в) показывает, как электрическое поле сгенерированного ТГц излученияменяется при изменении направления намагниченности на 180 градусов.
Такоеизменение было вызвано изменением направления внешнего магнитного поля.Фаза ТГц излучения менялась на 180 градусов при изменении направлениянамагниченности на 180 градусов. Интересно, что излучено наблюдалось дажев случае, когда внешнее магнитное поле не прикладывалось. Измеренияпоказали, что зависимость фазы электрического поля ТГц излучения отвнешнего магнитного поля имеет характер гистерезиса.Для того, чтобы выявить роль отсутствия центра инверсии в процессегенерации ТГц излучения циркулярно поляризованным светом, мы провели168измерения для двух ориентаций образца путем вращения гетероструктурывокруг намагниченности над 180 градусов. В этом случае, знак полярноговектора n меняется.
На рисунке 47 показано как это вращение приводит кизменениюзнакафазытерагерцовогоизлученияиндуцированногоциркулярно поляризованным светом. Явное “затягивание” и замедлениединамикиприповоротеобразцасвязаноразличнымискоростямираспространения света с длиной волны 800 нм и ТГц излучения черезстеклянную подложку. Интересно отметить, что такая чувствительность фазыТГц излучения к изменению направления вектора полярного n указывает нато, что источником ТГц излучения является электрический, а не магнитныйдиполь.Рисунок 48 показывает, что электрическое поле ТГц излучения линейнозависит от интенсивности лазерного импульса и насыщается при болеевысоких значения интенсивности.
Неизбежный нагрев индуцированныелазером приводит к изменению электронной проводимости и уменьшениюнамагниченности. Оба эти эффекта могут внести свой вклад в условиягенерации поляризационно зависимого ТГц излучения.С помощьюмагнитооптического эффекта Керра мы одновременно измеряли степеньфотоинициированногоразмагничивания(рисунок49).Измеренияпоказывают, что величина размагничивания линейно увеличивается сувеличением интенсивности света. Наконец, тот факт, что электронывозбуждаются намного выше уровня Ферми также может повлиять наэффективностьсамогомеханизмагенерациифототоковциркулярнополяризованным светом основанном на спин-орбитальном взаимодействии.Все эти эксперименты показывают, что симметрия ТГц излученияиндуцированного циркулярно поляризованным полностью соответствует той,которая ожидается для случая фототока индуцированного.169Рисунок 47.
Роль отсутствия центра инверсии в генерации TГцизлучения.Графики показывают только ту часть компонентыэлектрического поля ТГц волны, которая является нечетной поотношениюкаккциркулярностиполяризацииs,такикнамагниченности M. Ey,odd=(Ey(σ+,M+)-Ey(σ+,M-)-Ey(σ-,M+)+Ey(σ-,M-))/4.(a) Временное поведение электрического поля ТГц волны для случая,когда лазерный импульс возбуждает образец со стороны подложки. (б)эксперимент подобный описанному на панели (а), но для случая, когдасвет возбуждает структуру со стороны пленки Pt layer. Точка, котораясоответствует 0 пс, выбрана случайно, но далее была принята за точкуотсчета во всех измерения.170Рисунок 48.
Зависимость амплитуды электрического поля ТГц волны отинтенсивности лазерной накачки для случая, когда свет возбуждаетструктуру со стороны подложки (n+) и со стороны пленки Pt (n-). Награфике показана только та часть компоненты электрического поля ТГцволны, которая является нечетной по отношению как к циркулярностиполяризации s, так и к намагниченности M. Ey,odd=(Ey(σ+,M+)-Ey(σ+,M-)Ey(σ-,M+)+Ey(σ-,M-))/4. Точки- экспериментальные данные. Прямыелинии – результаты линейной аппроксимации.171Рисунок 49. Эффективностьфотоиндуцированногоизменениянамагниченности как функция интенсивности накачки.
Зависимостьполучена с помощью измерений магнитооптического эффекта Керра свременнымразрешениемспоследующейкалибровкойнамагнитооптический эффект Керра в невозбужденном состоянии.Для оценки амплитуды наблюдаемого фототока, были использованыуравненияМаксвелла.Подробностирасчетовприведенывhttp://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/extref/nnano.2015.331-s1.pdf.Оценка показала, что фототок присутствует приблизительно 330 фс с пиковойамплитудой порядка 109 А/м2. Следует отметить, что для того, чтобы прийти кэтой оценке, мы предположили, что ток локализован в интерфейсной областитолщиной 0.5 нм.
Наш эксперимент не дает сведений о толщине, в которомлокализованы ток, и это, вероятно, приводит к завышению плотности тока.Кроме того, спектральная полоса наблюдаемых импульсов ТГц сравнима сполосой нашего спектрофотометра. Поэтому динамика, которая имеет местона самом деле может быть быстрее, чем 330 фс. 330 фс следует рассматриватьв качестве верхней границы, и фактическая динамики происходит от 50 до 330фс.
Экспериментальная ширина полосы частот, и, следовательно, разрешение172по времени, может быть улучшено с помощью другого типа нелинейногооптического кристалла для детектирования ТГц излучения. Тем не менее,расширение полосы пропускания ТГц спектрометра приведет к снижениюотношения сигнал-шум.Мы также изучали лазерно-индуцированное ТГц излучения из другихгетероструктур, а также для двух образцов с пленками только Co или толькоPt, которые использовались в качестве эталонов. Выявленные значениякомпоненты электрического поля ТГц волны вдоль оси y приведены в таблице2.
Из таблицы видно, что для того, чтобы получить интенсивноеполяризационно зависимое излучение ТГц зависимой, Co должен бытьприведенвконтактсматериалом,ссильнымспин-орбитальнымвзаимодействием. Относительный низкий уровень сигнала из образца Co/Au,по меньшей мере, частично может быть связано с большей проводимостьюслоя Au.Очень слабый уровень сигнала для поляризационного зависимого ТГцизлучения обнаружено для образца чистого Co. Это находится в полномсогласии с нашим предложением, что круговой свет может оказыватькрутящиймоментнанамагниченность.Такимобразом,оптическоевозбуждение к быстрому изменению намагниченности, которая становитсяисточникомэлектромагнитногоизлучениямагнитногодиполяпроисхождения.
Предположив, что крутящий момент, действующий нанамагниченность происходит на временах порядка 330 фс и используяуравнение Ландау-Лифшица, можно амплитуду импульса эффективногомагнитного поля. О наличии такого поля в Co/Pt структурах сообщалось в[291], но оценки величины этого поля проведены не были. Согласно оценкам,приведённымвнашейработе(см.http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/extref/nnano.2015.331s1.pdf), амплитуда достигает величин порядка 0.04 Тесла.173вДля того, чтобы подчеркнуть, что наблюдаемое ТГц излучение,индуцированное циркулярно поляризованным импульсом света, существенноотличается от терагерцового излучения не зависящего от поляризации накачки[173], мы сравниваем, что амплитуды x и y компонент электрического поляТГц излучения (см. Таблицу 2).
Видно, что два типа излучения по-разномузависят от выбора немагнитного металла и от толщины немагнитного слоя. Вчастности, ТГц излучение, индуцированное циркулярно поляризованнымимпульсом света, слабо зависит от толщины слоя Pt, что отлично соотноситсяс нашими представлениями о том, что природа этого излучения – это фототокна интерфейсе Co и Pt.Таблица 2.
Амплитуды электрического поля ТГц излучения. x-компонентаэлектрического поля не зависит от поляризации лазерной накачки Ex. yкомпонента электрического поля зависит от поляризации лазерной накачки.Ey,поляризационно Ex,поляризационнозависимый вклад (В/cм) независимый(В/cм)Co(12)0.093.7Co(10)/Cu(2)<0.022.7Co(10)/Ta(2)1.29.9Co(10)/Ru(2)1.315Co(10)/Au(2)0.336Co(10)/Pt(2)3.553Co(10)/Pt(1.3) 3.523Co(10)/Pt(2.6) 3.681Co(10)/Pt(3.9) 4.1101Pt(2)<0.1<0.1174вклад6.3. Выводы по главе 6В данной главе мы продемонстрировали явление сверхбыстройгенерации и управления фототоков на границах раздела магнитныхмультислоев.Этоявленияоткрываетновыевозможностидляфундаментальных исследований спинтроники и магнитной записи.
Обычно, вустройствах спинтроники направлением тока можно управляют с помощьюнапряжения и магнитного поля. Здесь показано, что направлениемсубпикосекундных импульсов тока можно управлять бесконтактно, безприложения электрического поля, а изменяя циркулярность возбуждающегосвета. Принимая во внимание последние достижения в фокусировкециркулярно поляризованного света в суб-100 нм областях [292,293], нашеоткрытиепозволяетпродвинутьфундаментальныеисследованиянаноспинтроники в терагерцовую частотную область. Мы также считаем, чтонаше наблюдение поможет понять механизм переворота намагниченности спомощью света в cтруктурах Co/Pt.
Такие механизмы недавно сталипредметом активных дискуссий [276]. Однако роль спин-орбитальноговзаимодействия и нарушения симметрии на интерфейсе практически необсуждалась. Наша работа показывает, что благодаря спин-орбитальномувзаимодействию и отсутствию центра инверсии на интерфейсе, покрытиепленки Co тонким слоем Pt существенно увеличивает восприимчивостьмагнитной системы к циркулярно-поляризованному лазерному излучению.175ЗАКЛЮЧЕНИЕРазвитиелазернойтехникиипостоянноесовершенствованиетехнологии производства лазеров, которые способны генерировать импульсыдлительность 100 фс и короче, позволили открыть сверхбыстрые магнетизм совершенно новую область в современные науки.
Эта область объединяетисследования динамики сверхбыстрого отклика магнитных сред на такоелазерное возбуждение. Под сверхбыстрым подразумевается временнойдиапазон короче, чем время установление термодинамического равновесия висследуемых материалах. В твердых телах это время составляет 100 пс.В самых первых экспериментах по сверхбыстрому магнетизму,основное действие света на магнитную среду сводилось к сверхбыстромунагреву электронной подсистемы, который приводил к полному иличастичномуразрушениюмагнитногопорядка.Экспериментальныеисследования, изложенные в данной диссертации, показали, что действиесверхкоротких импульсов света далеко не ограничено нагревом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
