Диссертация (1103589), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В частности, в работеМельникова и соавторов [112] изучалась зависимость коэффициентаотражения от времени, вызванная возбуждением оптических фононов вкристалле висмута. В спектре коэффициента отражения было обнаруженодве фононные моды с частотами ∼ 2 и ∼ 3 ТГц, соответственно,причём подчеркивается, что, исходя из правил отбора, только однаиз мод может возбуждаться по комбинационному механизму, в товремя как вторая возбуждается по так называемому механизму типасмещения.
Совсем недавно с помощью аналогичной методики былиизучены акустические возбуждения в топологическом изоляторе Bi2 Te3[113], при этом исследование генерации второй оптической гармоники отзондирующего излучения позволило выделить поверхностные фононныемоды [114].В случае магнитной среды возможно выведение из равновесияспиновой системы – возбуждение магнонов в широком смысле. При этом,как и в предыдущих случаях, с помощью оптической методики накачкизондирования возможно как возбуждение системы, так и детектированиееё последующего состояния, что привело к широкому применениюданной методики для исследования динамики намагниченности [26]. Привоздействии мощного импульса накачки на магнитную среду возможнотри основных механизма возмущения состояния намагниченности: нагревза счёт поглощения энергии лазерного импульса, сопровождающийсяразупорядочением; изменение магнитной анизотропии среды импульсомнакачки, смещающее равновесное направление намагниченности [115];изменение намагниченности за счёт обратного эффекта Фарадея(Коттона-Мутона) при воздействии циркулярно(линейно)-поляризованнойнакачкой [116, 117].
Отметим, что последний механизм являетсяследствием когерентного, а не теплового взаимодействия накачки ссредой, в то время как изменение анизотропии может происходитькак за счёт повышения температуры, так и нетермальным образом.Регистрация состояния системы, как правило, производится приизмерении вызванного импульсом накачки изменения в величинемагнитооптического эффекта Керра или Фарадея при взаимодействииимпульса зондирующего излучения с магнитной средой. В то же время,53в ряде случаев дополнительная информация может быть получена прииспользовании других магнитооптических эффектов, например, генерациимагнитоиндуцированной второй гармоники или магнитного линейногодвулучепреломления [118].1.5.2.Динамика намагниченности в ферромагнитных металлахВ металлических ферромагнитных структурах при взаимодействиис лазерным импульсом накачки за счёт значительного поглощенияпреобладаюттермальныемеханизмыизменениясостояниянамагниченности [26].
Первые исследования динамики намагниченностис субпикосекундными лазерными импульсами были проведены Борпэромс соавторами в никеле [119] и позже Кампфратом с соавторами вжелезе [120]. В этих работах был установлен общий вид зависимости:сверхбыстрое (субпикосекундное) размагничивание с последующим болеемедленным (характерное время порядка 10 пс) восстановлением. Былопоказано, что для никеля время термализации электронов составляет260 фс, в то время как для спиновой системы максимум температурынаступает при времени 2 пс. В последующей работе с применениемгенерации магнитоиндуцированной ВГ [121] наблюдался схожий виддинамики, однако не было подтверждено указанное различие динамикэлектронной и спиновой температур.
Несмотря на расхождения можноутверждать, что на временах меньших 1 пс наблюдалось размагничивание,существенно более быстрое чем можно ожидать из взаимодействияспиновой системы с решеткой – вместо этого происходит сверхбыстрыйнагрев электронной системы с пропорциональным ему изменениемнамагниченности.
Отдельно стоит отметить, что на столь малыхвременах структура является сильно неравновесной что делает невернымдопущение о линейности магнитооптического отклика по намагниченности[122]. Аналогичные случаю с Ni и Fe результаты были получены приисследовании динамики намагниченности в плёнках кобальта толщиной 10нм, имеющих плоскостную легкую ось намагничивания (рис. 1.14) [123].При феноменологическом подходе динамику намагниченности в металлахудобно описывать при помощи так называемой трёхтемпературноймодели [26]. При этом подходе структура представляется в виде трехвзаимодействующих резервуаров: спиновый, электронный и решеточный,каждому из которых приписывается своя температура.
При этом54Рис. 1.14 :Зависимость экваториального эффекта Крра в пленке Co толщиной 10 нмот времени задержки между импульсами накачки и зондирования при плотности энергии10 (треугольники) и 2 (квадратики) мДж/см2 . На вставке показаны петли гистерезисав отсутствии возмущения (чёрным) и при задержке 675 фс (серым) после импульсанакачки [123].считается, что внутри каждого резервуара состояние равновесно, амежду собой они связаны взаимодействиями различной природы.Данная модель позволяет составить систему дифференциальныхуравнений, описывающую эволюцию температур. Качественно этаэволюция выглядит следующим образом: на оптических частотахизначально большую часть энергии поглощает электронная подсистема,и на временах 50-500 фс за счёт межэлектронного взаимодействияобразуется нагретое равновесное состояние электронов.
Затем за счётрассеяния на фононах при времени ∼ 1 пс устанавливается равновесноесостояние электронов и решетки. В рамках приведённой модели остаётсяоткрытым вопрос о механизме передачи углового момента от спиновойподсистемы к двум другим резервуарам, без которого невозможнонаблюдаемое размагничивание (если не рассматривать прямую передачумомента от фотона электрону). В качестве такого механизма обычнорассматривается спин-орбитальное взаимодействие при этом выделятсятри процесса, приводящие к изменению спина [26, 123]: стоунеровскоевозбуждение, неупругое рассеяние электронов на магнонах и одиночныерассеяния с изменением спина на примесях или фононах – механизм55Эллиота-Яфета. В работе [123] в результате комбинации результатов,полученных при измерении МОЭК и двухфотонной фотоэмиссии свременным разрешением, делается вывод, что именно механизм ЭллиотаЯфета обуславливает сверхбыстрое размагничивание в кобальте.
Вопросвосстановления намагниченности, происходящего в экспериментах привремени больше 1 пс, изучался в работе [124] путем микромагнитногосимулирования ферромагнетика после мгновенного размагничивания.Расчёты показывают, что процесс определяется распространением изатуханием спиновых полн, образованных в области лазерного пятна.Стоит отметить, что, помимо описанного выше сценария быстрогоразмагничивания с последующим монотонным восстановлением, ванизотропных ферромагнетиках или обменно связанных тонких пленкахферромагнетик/антиферромагнетик возможно возбуждение осцилляцийнамагниченности под действием лазерного импульса. Так, при помещенииплёнки никеля в магнитное поле, направленное под углом к нормали,равновесное состояние намагниченности определяется совокупностьювнешнего поля и магнитной анизотропии. Мощный лазерный импульсможет изменить величину анизотропии, сместив равновесное направлениенамагниченности, в результате чего в дальнейшем наблюдаетсяпрецессия намагниченности вокруг равновесного значения с частотой,соответствующей ферромагнитному резонансу и временем затуханияпорядка сотен пикосекунд [125].1.5.3.Динамика отклика в металлических наноструктурахВ последнее время значительное внимание привлекает исследованиединамики оптического отклика в искусственно созданных структурах.Формирование периодических структур позволяет возбуждать импульсомнакачки селективные по частоте возмущения в среде [126, 127].
Принанесении на поверхность диэлектрика периодической металлическойрешетки поглощение импульса накачки формирует соответствующеепериодически распределенное возмущение, которое приводит квозбуждению акустических фононов с длиной волны, равной периодурешетки, в результате за счёт эласто-оптического взаимодействиядетектирующиеся зондирующим импульсом рис. 1.15. Аналогичныерезультаты были получены и в двумерных структурах [128], при этомделается вывод, что наблюдаемые возбуждения являются поверхностными56акустическими волнами (ПАВ). В спектре зависимости коэффициентаотражения от времени, помимо первой акустической гармоники,наблюдаются более высокие моды, а также, могут наблюдаться моды,связанные с различными направлениями в двумерной решетке.
Динамикапроцессов в подобных структурах обычно описывается в терминах двухвзаимодействующих резервуаров – электронов (в металле), поглощающихэнергию импульса в начальный момент и фононов, возбуждаемых прирассеянии электронов на решетке [128]. В некоторых структурах возможныболее сложные взаимодействующие возбуждения. Так, в структуре,состоящей из золотой пленки к круглыми отверстиями диаметром∼ 100 нм, нанесённой на диэлектрическую подложку, коэффициентпропускания может определяться возбуждением плазмонов в золоте,что является одним из механизмов аномального пропускания света вподобных структурах. В работе [129] в такой структуре наблюдалосьвлияние акустических фононов, возбужденных импульсом накачкина возбуждение плазмонов, и, как следствие, коэффициент пропусканиязондирующего излучения. Также изучалась динамика оптического откликав структурах с магнитными частицами в регулярной решетке, в которой,помимо акустических возбуждений, были обнаружены осцилляциинамагниченности с частотами близкими к акустическим [130].Рис.
1.15 :Экспериментальное (черная кривая) и рассчитанное (красная кривая)нормированноеотносительноеизменениедифракционнойэффективностивпервомпрошедшем максимуме в зависимости от времени задержки для решетки периодом 250нм. На вставке показан спектр экспериментальной зависимости [126].57В процитированных выше работах при исследовании динамикив искусственно созданных наноструктурах экспериментально изучаетсязависимость коэффициента отражения от времени и не изучается поворотплоскости поляризации зондирующего излучения, который может нестиинформацию об эволюции недиагональных компонент восприимчивостиили изменении соотношений между диагональными.58Глава 2Генерация ВГ в плазмонной структуре изнаностержней никеляВ магнитных плазмонных наноструктурах возможно значительноеувеличение величин магнитооптических эффектов, что делает ихперспективными для приложений связанных c хранением информацииили оптическими сенсорами [55, 131, 132, 133, 38].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
