Диссертация (1090272), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Предполагается, что HAMRвыйдет на рынок уже в 2018 году, и не понятно, сможет ли магнитнаятехнологияразвиватьсядальше.Результатыэтойработыбудутспособствовать поиску новых технологий для более быстрой и болееэнергоэффективной магнитной записи.12Основные положения, выносимые на защиту:1. Показано, что импульс света является уникальным возбуждением вмагнетизме, которое позволяет подействовать на спины подобно импульсумагнитного поля, длительность которого равна длительности лазерногоимпульса (т.е.
порядка 100 фс), а сила достигает нескольких Тесла.2. Сверхбыстрое воздействие света на спины может быть достигнуто какв результате нерезонансного, так и резонансного оптического возбужденияэлектро-дипольных переходов в широком классе магнитных диэлектриков иполупроводников.3. Сверхбыстрое воздействие света на спины наблюдается благодарятому,чтовозбуждаемыеэлектродипольныепереходыприводяткэффективному изменению спин-орбитального или обменного взаимодействияв магнитоупорядоченных средах.4. Благодаря сверхбыстрому воздействию света на спин-орбитальноевзаимодействие, свет может импульсно возбуждать спиновые волны в центрезоны Бриллюэна и генерировать электрические токи в нецентросимметричныхсредах.
Благодаря действию света на обменное взаимодействие становитсявозможным импульсная генерация когерентных магнонов нанометровых длинволн с частотами, достигающими 22 ТГц. Эти эксперименты по сутиоткрывают возможность изучать спиновую и спин-волновую электронику(спинтронику и магнонику) на рекордно высоких ТГц частотах.5. В то же время, показано, что в соединениях редкоземельныхэлементов магнитооптические методы изучения спиновой динамики не всегдаявляются адекватными. Показано, что в таких экспериментах необходимоучитывать многоподрешеточную природу магнетиков, а также учет эффектовраспространения в оптических экспериментах.Личный вклад автора заключается в постановке и обосновании задачисследования, разработке методик экспериментального исследования по всем13направлениям, представленным в диссертационной работе, разработкетеоретических моделей, проведении расчетов, обработке и анализе основныхрезультатов.
Все экспериментальные результаты работы получены либоавтором лично, либо при его непосредственном участии.Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12статьях в рецензируемых отечественных и международных научныхжурналах.Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения и списка использованных источников, включающего 293наименования. Объем диссертации составляет 210 страниц текста, включая 49иллюстраций и 2 таблицы.14Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ НАМАГНИЧЕННОСТИ ВМАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХМАТЕРИАЛАХ:ОБЗОРЛИТЕРАТУРЫ.1.1.
Основные тенденции и проблемы в исследованиях динамикинамагниченностиТребования к постоянно возрастающей скорости обработки и записиинформации в магнитных средах, а также фундаментальные ограничения,связанные с генерацией импульсов магнитного поля электрическим током,стимулируют активные поиски новых, «нетрадиционных» способов контроляи управления намагниченностью. среды.
С момента демонстрации в работе [1]субпикосекундного размагничивания ферромагнетика лазерным импульсомдлительностью 60 фс, способы управления намагниченностью при помощисверхкоротких лазерных импульсов становятся объектом пристальноговнимания. Фемтосекундные лазерные импульсы открывают интригующуювозможность зондирования магнитной системы [2] на временных масштабах,соответствующих (равновесному) обменному взаимодействию, отвечающемуза существование магнитного порядка, но в то же время более быстрому, чемвременной масштаб спин-орбитального взаимодействия (0.1-1 пс) илимагнитная прецессия (1 пс – 1 нс) (см. рис. 1).
Поскольку последнее, каксчитается,устанавливаетпредельнуювременнуюшкалудляперемагничивания, возможность фемтосекундного оптического возбуждениянемедленно приводит к вопросу о том, будет ли возможно полностьюизменить намагниченность быстрее, чем в пределах половины периодапрецессии.
Так как магнетизм тесно связан с угловым моментом, этот вопросможно перефразировать в терминах более фундаментальных вопросовсохранения и передачи углового момента: как быстро и между какимиобъектами может быть осуществлена передача углового момента и возможноли это на временных масштабах короче, чем характерные времена спинорбитального взаимодействия?15Рисунок 1. Временныефундаментальныхмасштабы,взаимодействийкоторыевхарактеризуютмагнитныхсилуматериалах,всравнении с периодом магнитного резонанса и длительностьюдоступных возбуждений в экспериментальной физике магнетизма(импульсы магнитного поля и света).
Малая длительность лазерныхимпульсовделаетихпривлекательнойальтернативойдляманипулирования намагниченностью [2].Такие вопросы не актуальны для более длительных времен иравновесных состояний, однако они имеют все более важное значение суменьшением временных интервалов, а также по мере того, как различныерезервуары энергии и углового момента в магнитных системах (магнитноупорядоченные спины, электронная система, кристаллическая решетка и др.)становятся динамически изолированными. Таким образом, исследования вобласти сверхбыстрой динамики намагниченности сводятся к исследованию16обменаэнергиейилиугловыммоментоммеждуразличнымитермодинамическими источниками системы [3].Обладая глубоко фундаментальным характером, такие исследованиятакже весьма актуальны для технологических приложений. Действительно, втовремякакэлектроннаяпромышленностьуспешнопереходиткнаномасштабам, следуя известному закону Мура, скорость обработки и записиданных отстает, создавая так называемый разрыв сверхбыстрых технологий.Это также проявляется в современных компьютерах, которые уже имеюттактовую частоту в несколько десятков, или даже сотен, гигагерц, в то времякак запись бита на магнитный диск требует времени порядка несколькихнаносекунд.Такимограничений,образом,связанныхизучениесофундаментальныхскоростьюипрактическихманипуляцийнаправлениемнамагниченности, очевидно, имеет большое значение для технологиймагнитной записи и обработки информации.В магнитных запоминающих устройствах, логические биты "единиц" и"нулей" сохраняются путем установки вектора намагниченности отдельныхмагнитных доменов либо «вверх», либо «вниз».
Традиционным способом длязаписи магнитного бита является переключение намагниченности приприложении магнитного поля [4,5]. Хотелось бы ожидать, что переключениеможет быть бесконечно быстрым, ограниченным только достижимойнапряженностью и длительностью импульса магнитного поля. Однаконедавние эксперименты по перемагничиванию с использованием коротких иодновременномощныхимпульсовмагнитногополя,генерируемыхрелятивистскими электронами (Stanford Linear Accelerator) предполагают, чтопри таком переключении существует ограничение скорости [6]. Былопоказано, что процесс перестает быть детерминистким и разворотанамагниченности может и не произойти, если импульс магнитного полякороче 2 пс. Вопрос, могут ли оптические импульсы служить альтернативойимпульсам магнитного поля, остается открытым.171.2.
Теоретические основы взаимодействия фемтосекундного излучения смагнитной средой.1.2.1. Динамика магнитного момента: уравнения Ландау-ЛифшицаГилбертаВзаимодействие магнитных моментов с магнитными полями являетсяосновой для понимания всех магнитных явлений. Однородные магнитныесреды обладают магнитным моментом, который для объема V может быть⃗⃗ , где ⃗⃗ – намагниченность.
Если V – атомный объем,выражен как ⃗⃗ = тогда ⃗⃗ – магнитный момент, приходящийся на атом; если V – объем всегомагнетика, то ⃗⃗ представляет собой полный магнитный момент образца.Последний случай часто называют «приближением макроспина». Длянеоднородного случая объем магнетика может быть разбит на небольшиеобласти, в которых намагниченность можно считать однородной. Вбольшинстве случаев эти области достаточно велики для описания поворотанамагниченности в классической модели.Прецессия магнитного момента в отсутствие затухания описываетсяуравнением вращающего магнитного момента.
Согласно квантовой теории,угловой момент, связанный с магнитным моментом ⃗⃗ , имеет вид:⃗⃗ ⁄⃗ = (1)где - гиромагнитное отношение. Вращающий магнитный момент, вызванный⃗ , может быть выражен как:полем с напряженностью ⃗ =⃗⃗⃗ ×(2)С другой стороны, вращающий магнитный момент равен изменениюуглового момента во времени:⃗=⃗⃗⃗ ⃗=⃗⃗ ×(3)18Если на спины оказывает воздействие не только внешнее магнитноеполе, но также такие факторы, как магнито-кристаллическая анизотропия,структурная анизотропия, магнитное дипольное взаимодействие и т.д.,ситуация становится более сложной. Все эти взаимодействия будут вноситьсвой вклад в термодинамической потенциал, а комбинированное действиевсех этих вкладов может рассматриваться в качестве эффективногомагнитного поля⃗ = −1 Φ⃗⃗0 (4),где μ0 – это фундаментальная магнитная постоянная.Таким образом,движение вектора намагниченности можно записать в виде следующегоуравнения [7]:⃗ ,⃗⃗ ⁄ = ⃗⃗ ×котороеописываетпрецессиюмагнитного(5)моментаотносительно⃗ .
Как упоминалось выше, ⃗ представляет собойэффективного поля сумму различных вкладов:⃗ = ⃗ + ⃗ + ⃗ + ⋯ ,(6)⃗ – напряженность внешнего магнитного поля, а ⃗ и ⃗ – вклады,где связанныесисключениеманизотропиейиразмагничиванием,соответственно.За⃗ , все остальные вклады зависят от свойств материала.Таким образом, оптическое излучение индуцирует изменения полей,связанных со свойствами материала, которые, в свою очередь, приводят к⃗ и, как следствие, к возникновениюизменению эффективного поля оптически наведенной динамики намагниченности.В состоянии равновесия изменение углового момента во времени равнонулю, и, таким образом, вращающий магнитный момент равен нулю.Описание прецессирующего движения магнитного момента к положениюравновесия может быть дано в терминах вязкого затухания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
