Диссертация (1090272), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Еслипредположить, что импульсы накачки когерентно возбуждают пленку,создавая изменяющуюся во времени намагниченность, электрическое поле вдальнем поле (поляризованное ортогонально вектору намагниченности Mx),распространяющееся в направлении z, можно выразить как:0 2 () = 2−()4 2(14)где r – расстояние до диполя [61]. Таким образом, измеряемое электрическоеполе волны, сгенерированной образцом, определяется второй производнойнамагниченности. Аппроксимация в рамках этой модели экспериментальныхданных, полученных в работе [61], продемонстрировала очень хорошеесовпадение с параметрами наблюдаемого в эксперименте терагерцовогоизлучения. Также было подтверждено, что сформированная терагерцоваяволна действительно поляризована вдоль оси y и что этот эффект не зависитот поляризации входящего оптического излучения накачки.Аналогичные исследования были проведены в пленках Fe [62].
В этомслучае было обнаружено два вклада в генерируемое терагерцовое излучение.Одна часть терагерцового сигнала зависела от поляризации пучка накачки иобъяснялась нелинейным эффектом оптического выпрямления. Другая частьне зависела от поляризации накачки и, вероятно, возникла из-за сверхбыстрогоразмагничивания.36Наконец, отметим, что сверхбыстрое лазерное размагничиваниеметаллов может сопровождаться изменением и других магнитных параметров[63–66].1.4.1.2. Феноменологическая трехтемпературная модельУже с первых экспериментов по динамике лазерно-индуцированнойдинамики намагниченности стало ясно, что полученное размагничиваниепредставляет собой сложный процесс, в котором участвуют различныекомпонентысистемы,связанные,всвоюочередь,сразличнымирелаксационными процессами.
Взаимодействия в такой системе могут бытькачественно описаны с помощью единой модели, содержащей три отдельных,но взаимодействующих друг с другом резервуара (электроны, решетку испины),связанныхвзаимодействиямиразличногопроисхожденияиэффективности (см. Рис. 2).Часть из указанных взаимодействий, а именно спин-решеточное иэлектрон-фононное, уже достаточно хорошо изучены. Прямое взаимодействиемежду спинами и электронами активно обсуждается в настоящее время иявляется объектом данных исследований.Каждому из указанных резервуаров углового момента и энергии(электроны,спины,решетка)можетбытьприсвоенаэффективнаятемпература. Заметим, однако, что это назначение возможно только в томслучае, если в рассматриваемой подсистеме предполагается определенноеравновесие. Учитывая короткие временные масштабы, это допущение невсегда справедливо и налагает ограничения на область применения этоймодели.37Рисунок 2.
Схематическое изображение трехтемпературной моделивзаимодействующих резервуаров [55]. Рисунок воспроизведен из обзора[2].Трехтемпературная модель описывает временную эволюцию системы спомощью трех связанных дифференциальных уравнений ( )⁄ = − ( − ) − ( − ) + (), ( )⁄ = − ( − ) − ( − ), ( )⁄ = − ( − ) − ( − ),где характеризует взаимодействие между i-м и j-м резервуарами(i,j =e,s,l), Сi –теплоемкость и Тi – температура соответствующей системы, а P(t) –мощность входящего оптического излучения. Коэффициенты являютсяфеноменологическими параметрами, показывающими, насколько сильнойявляется конкретная связь, но в то же время ничего не говорят о природевзаимодействия.
В зависимости от теплоемкостей Cj эффективные разноститемператур могут быть очень большими. Например, поскольку электроннаятеплоемкость обычно на один-два порядка меньше, чем у решетки, Те можетдостигать нескольких тысяч градусов Кельвина в течение первых десятковфемтосекунд после возбуждения, тогда как решетка остается относительнохолодной даже после установления равновесия [67].
Схематически процесс38уравновешивания между различными резервуарами после возбуждениялазерным импульсом показан на рисунке 3.Рисунок 3. Временныезависимостиэлектронной,спиновойирешеточной температуры после воздействия на систему короткоголазерного импульса.
Поведение спиновой температуры показано дляслучаев сильного (металл, ) и слабого (диэлектрик, )взаимодействия. Рисунок воспроизведен из обзора [2].Рассмотрим типичный сценарий процессов, приводящих к лазерноиндуцированному размагничиванию. В оптическом диапазоне частот толькоэлектроны способны реагировать на лазерное возбуждение, практическимгновенно поглощая или рассеивая фотоны. Таким образом, (i) лазерный лучпопадает на образец и создает электронно-дырочные пары (горячиеэлектроны)завременапорядка1фс;(ii)электроннаясистемауравновешивается при повышенных температурах Те электрон-электроннымивзаимодействиями в пределах 50-500 фс, в зависимости от системы; (iii)уравновешенныеэлектронныевозбужденияраспадаютсяспомощьюфононных каскадов на временной шкале, определяемой временем электронфононного взаимодействия (в пределах 100 фс - 1 пс для металлов) и39нагревают решетку, увеличивая Tl.
Таким образом, через пикосекундуэлектронные и решетчатые системы находятся в тепловом равновесии друг сдругом. Что происходит со спинами?Поскольку суть намагниченности - это угловой момент количествадвижения, в магнитных системах помимо энергии необходимо учитыватьтакже сохранение углового момента [68]. Кроме того, в процессеразмагничивания определенное количество углового момента будет изъято изспиновой системы.
Поэтому крайне важно раскрыть возможные каналыпередачи этого момента при рассмотрении различных процессов, связанных ссверхбыстрым размагничиванием.В общем случае, и электронная система, и решетка должны бытьспособны поглотить этот угловой момент, хотя бы временно. Обычносчитается, что спин-решеточное взаимодействие имеет тот же порядоквеличины, что и магнитокристаллическая анизотропия. Последняя становитсядовольнослабойвпереходныхметаллах(100мкэВ)благодаряиндуцированному кристаллическим полем подавлению электронных орбит.Поэтому соответствующее время взаимодействия ожидается достаточнодлительным, порядка 300 пс в Ni [69]. Однако, после того, как былопродемонстрировано фемтосекундное размагничивание (Beaurepaire 1996),стало ясно, что в металлах существует значительно более сильноевзаимодействие между спинами и двумя оставшимися резервуарами.Механизмыэффективногоэлектрон-спиновогоифонон-спиновоговзаимодействия ответственны за процессы размагничивания быстрее 100 фс иявляются объектом исследований в наше время.Недавно было высказано предположение, что лазерно-индуцированноеразмагничивание Ni может быть связано с прямым взаимодействием междуфононами и спинами [70].
В частности, был заявлен новый квантовомеханическиймеханизм,отвечающийзасверхбыстрыеизменениянамагниченности. Однако, в этой работе в момент наложения импульсов40накачки и зондирования наблюдался только прямой, зависящий отполяризации света накачки эффект.
Это похоже на более раннюю работу [71],где аналогичный эффект был связан с эффектами оптической когерентности.Действительно, если импульс накачки покидая магнитную систему оставляетее в том же магнитном состоянии,, что тогда является результатом этого«прямого эффекта» света на мегнтизм? Следует также упомянуть, чторелятивистская связь спинов со световым полем была рассмотрена ранее дляописания магнитооптических эффектов в соединениях урана в работе [72], ноих гамильтониан отличается от предложенного в [70]. Кроме того, недавно дляслучая элементарной двухуровневой системы было продемонстрировано, чтотакой мгновенный лазерно-индуцированный магнитооптический эффект неимеет ничего общего со спиновыми возбуждениями, а вызываетсянерезонансной накачкой населенности возбужденного состояния, очевидноприсутствующей только во время действия импульса света [73]. Осмелюсьпредположить, , что на тему прямой связи между фотонами и спинамипоследнее слово еще не было сказано.1.4.1.3.
Взаимодействие между зарядом, решеткой и спином подсистемыа) Спектроскопия временного разрешения для экспериментов пофотоэлектронной эмиссии.Ценная информация о микроскопических процессах, сопровождающихсверхбыстрое лазерное размагничивание, может быть получена путемизучения магнитных поверхностей с помощью поверхностно-чувствительныхметодов. Такая низкоразмерная структура уменьшает фазовое пространство,доступное для релаксационных процессов.
Как следствие, скоростирелаксации уменьшаются по сравнению с таковыми в объеме, облегчая болееподробный анализ. Это преимущество поверхностей привело в последнеедесятилетие к хорошему пониманию принципов, лежащих в основерелаксации электронных возбуждений в металлах [74].41Поверхность Gd (0001) является благоприятной модельной системой дляисследования электрон-фононного, электрон-магнонного и фонон-магнонноговзаимодействий и их динамики с помощью фемтосекундной лазернойспектроскопии с временным разрешением [42,75–77]. Для исследованияизмененийспиновыхзаселенностейповерхностныхсостояний,индуцированных накачкой , была использована методика времяразрешеннойфотоэмиссии (TRPE).
На рисунке 4а приведен спектр в области энергии ФермиEF для времени взаимодействия 300 фс, при этом измеренный выходфотоэмиссии (PE) принимает значения в пределах пяти порядков величины.Занимаемое поверхностное состояние S↑ хорошо видно, а незанятаясоставляющая S↓ проявляется как плечо на 0,4 эВ выше EF.42Рисунок 4. Результатыисследованийметодомвремяразрешеннойфотоэмиссии (TRPE): а) левая логарифмическая шкала: нормированныйспектр фотоэлектронов на 300 фс (кружки) с аппроксимацией врамках выбранной модели (сплошная линия) и функцией распределенияf(E,t) (пунктирная линия), правая линейная шкала: нормированныйспектрэлектрона,деленныйнаf(треугольники);б)спектрфотоэлектронов при разных временах задержки (для наглядностикривые смещены друг относительно друга по вертикали).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
