Диссертация (1104238), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Распространенной модификацией метода является использование т.н. анизотропногодетектирования - при котором изучается малый поворот плоскости поляризации, схематично данная модификация изображена на рисунке 1.3(а).Рассмотрим некоторые процессы, протекающие при оптическом возбуждении металлов и полупроводников.24Рис. 1.3. Принципиальная схема метода накачка-зондирования в линейном отклике. (а) Безанизотропного детектирования; (б) c использованием анизотропного детектирования.МеталлыВ металлах под воздействием сверхкороткого оптического импульса происходит поглощение энергии оптического излучения за счет внутризонных переходов внутри зоны проводимости, что приводит к разогревуэлектронного газа и формированию неравновесного распределения горячих носителей заряда.
За короткое время, измеряемое десятками-сотнямифемтосекунд, за счет электрон-электронного рассеяния происходит термализация электронного газа и формирование равновесного фермиевскогораспределения с высокой температурой, на порядки превышающей температуру решетки. В дальнейшем, за времена порядка 1-10 пс, происходитохлаждение электронов за счет испускания некогерентных оптических фононов кристаллической решетки, что приводит к ее нагреву и формированию термодинамического равновесия между кристаллической решеткойи электронным газом. Феноменологически, описанные процессы, без учета времени термализации носителей, можно описать следующей системойуравнений, получившей название двухтемпературной модели:C dT /dt = −G (T − T ) + P (t)eeel el(1.14)Cl dTl /dt = −Gel (Tl − Te ),где Сe (Cl ) - теплоемкости электронной (решеточной) подсистемы Gel феноменологическая константа электрон-фононного взаимодействия, P(t) -25функция, описывающая начальный нагрев электронной подсистемы лазерным импульсом.
Согласно полуклассическому описанию восприимчивостиметаллов в рамках модели Друде, комплексная диэлектрическая проницаемость выражается следующим образом [51]:ωp2 τ /ωωp2 τ 2−i·,(ω) = 1 −1 + ω2τ 21 + ω2τ 2q(1.15)24πne eгде ωp =- плазменная (Ленгмюровская) частота, τ - характерm∗ное время рассеяния электронов, обратно пропорциональное температуре.Таким образом, при фиксированной концентрации носителей (предположение, выполняющееся в хороших металлах), охлаждение электронногогаза дает вклад в дифференциальный коэффициент отражения. Необходимо заметить, что данное описание, по сути классическое не рассматриваетприроду затухания, стоящего в формуле Друде.
В реальном эксперименте вклад в затухание могут давать как электрон-фононное взаимодействие(зависящее от температуры), так и другие механизмы, к примеру рассеяние на заряженных примесях. Также система уравнений (1.14) не включает вклад теплопроводности электронного газа и кристаллической решетки,для учета которых в правые части уравнений часто добавляют элементы параболического уравнения телопроводности. Однако, в большинствехороших металлов решеточная теплопроводность пренебрежимо мала посравнению с электронной, таким образом учет теплопроводности оправданлишь в уравнении, описывающем температуру электронного газа.Полупроводники и диэлектрикиОписанная выше модель существенно осложняется в полупроводниках, за счет существования двух типов носителей заряда с различнымисвойствами.
Помимо очевидного различия в эффективных массах (приводящему в том числе к различным константам электрон-фононного взаимодействия), необходимо учитывать дополнительный механизм релаксации, связанный с рекомбинацией электрон-дырочных пар. Данный процессобычно происходит на временах порядка десятков пикосекунд. Помимо этого, в полупроводниках необходимо учитывать вклад амбиполярной диффузии электронов и дырок [52], различие скоростей дифузии различныхносителей заряда, вызванное различием в их подвижностях (эффект Дэм-26бера) [53], динамику зонной структуры, такую как модификация ширинызапрещенной зоны [54], динамика приповерхностного изгиба зон [55].Магнитная динамикаОтдельный класс задач сверхбыстрой динамики включает в себя исследование релаксации спинового порядка в ферромагнетиках, ферримагнетиках, ферроэлектриках, антиферромагнетиках и т.д. По методике проведения эксперимента данные исследования можно условно разделить надва класса - первый, в рамках которого линейно-поляризованный импульснакачки поглощается намагниченной средой и приводит к сверхбыстрому нарушению порядка в спиновой подсистемы.
В дальнейшем, при охлаждении за счет обменного взаимодействия с соседними областями образца и/или за счет внешнего постоянного магнитного поля, состояние намагниченности восстанавливается к первоначальному. Набор физическихмеханизмов ответственных за описанные процессы весьма разнообразен иподробно изложен, например, в обзоре [56]. Здесь, ради простоты, мы рассмотрим лишь случай простейшего ферромагнитного металла в рамках феноменологической трех-температурной модели.
В таком случае возбуждение и дальнейшую релаксации в ферромагнетике можно описать системойуравнений, аналогичной (1.14):Ce dTe /dt = −Gel (Te − Tl ) + Ges (Te − Ts ) + P (t)(1.16)Cl dTl /dt = −Gel (Tl − Te ) − Gsl (Tl − Ts )Cs dTs /dt = −Ges (Ts − Te ) − Gsl (Tl − Ts ),где дополнительная температура Ts описывает температуру ансамбля спинов в ферромагнетике. Последовательность процессов охлаждения в простейшем ферромагнетике c указанием соответствующих констант взаимодействий условно изображена на рисунке 1.4.
Происходящее изменениесредней намагниченности можно наблюдать с помощью магнитооптического эффекта Керра для зондирующего луча. Во многих случаях оказывается удобно использовать меридиональную геометрию магнитооптического эффекта Керра и детектировать лишь вызванный модификациейсредней намагниченности поворот плоскости поляризации. В таких случаях используют анизотропное детектирование, основанное на точном измерении разности сигналов двух сбалансированных детекторов, измеряющих27Рис.
1.4. (a) Упрощенная сзема взаимодействия электронной, спиновой и решеточной подсистем в ферромагнетике;(б) Типичные зависимости от времени температур подсистем.две линейные ортогональные состояния поляризации. Необходимо отметить, что физическая природа начального размагничивания в реальныхферромагнитных металлах может быть весьма разнообразной и включатьв себя переворот спина по механизму Стонера, за счет рассеяния на спиновых волнах [57], и по механизму Эллиотта-Яффе рассеяния на примесяхи фононах [58]. Физическая картина становится еще более разнообразнойпри рассмотрении размагничивания в магнитных полупроводниках и диэлектриках [56].
Второй тип задач магнитной динамики, реализовываетсяв основном в прозрачных ферро- и ферримагнетиках, таких как магнитные диэлектрики YIG, EuS и т.д. В рамках него образец облучается обычноциркулярно поляризованным излучением накачки, и, вследствие обратного эффекта Фарадея [59], появляется статическая компонента намагниченности, пропорциональная векторному произведению полей накачки (какследует из выражения использование циркулярной поляризации необязательно и существуют реализации использующие более сложные состоянияполяризации, к примеру азимутально-поляризованный свет [60]):hi∗~~~M (0) ∝ E(ω) × E (ω)(1.17)Несомненным преимуществом данного метода намагничивания по сравнению с традиционным является то, что оно, во-первых, происходит на временах порядка длительности оптического импульса (времена недостижимыедля импульсных электромагнитов), а во-вторых сравнительно высокая напряженность оптических полей современных лазеров позволяет без особоготруда прикладывать статические магнитные поля порядка нескольких тес-28ла.
Естественным ограничением данного метода является жесткое условиена прозрачность среды, поскольку при наличии поглощения становитсясложно создать достаточно сильное статическое магнитное поле без повреждения материала. Отдельно следует отметить класс задач, посвященныхисследованию возбуждений магнитной подсистемы - спиновым волнам илимагнонам и магнитной прецессии [56].1.5.2.Возбуждение когерентных оптических фононовПомимо динамики электронного газа и спиновой системы твердыхтел также возможно сверхбыстрое изменение свойств кристаллической решетки, которое можно наблюдать методом накачка-зондирование.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
