Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Фотоиндуцированная сверхбыстрая спиновая динамика в магнитных средах Кимель Алексей Вольдемарович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Кимель Алексей Вольдемарович. Фотоиндуцированная сверхбыстрая спиновая динамика в магнитных средах: диссертация ... доктора Физико-математических наук: 05.27.01 / Кимель Алексей Вольдемарович;[Место защиты: ФГОБУ ВО «Московский технологический университет»], 2018.- 214 с.

Введение к работе

Актуальность

Возможность переключения намагниченности в

магнитоупорядоченных средах между двумя устойчивыми

(метастабильными) состояниями является главным принципом

современной технологии хранения данных. За последние 50 лет эта технология претерпела несколько революционных изменений, что произошло во многом благодаря прогрессу в фундаментальной науке. На данный момент современные методы магнитной записи позволяют достичь скоростей порядка 1 нс на бит и плотности порядка 1 терабит на квадратный дюйм, что еще несколько десятилетий назад казалось невероятным. Бурное развитие беспроводных технологий, которое наблюдается в наши дни, и увеличение спроса на облачные системы хранения данных гарантирует, что и в цифровой экономике 21-го века спрос на быструю запись информации будет только расти.

Как уже было сказано, современная магнитная запись основана на
переключении намагниченности в магнитном поле. Быстрая запись
информации требует генерации коротких импульсов магнитного поля, что
сопровождается большими потерями энергии. Тепло, которое

вырабатывается современными облачными центрами хранения данных, уже сейчас создает серьезную проблему для дальнейшего увеличения скорости записи информации. Таким образом, поиск новых способов записи информации на временах намного быстрее, чем 1 нс, и с минимально возможным выделением тепла, а значит без применения внешних магнитных полей, является одной из важнейших задач, которые ставит перед фундаментальной наукой современное общество.

Управление магнитным порядком вещества с помощью света
является интересной альтернативой для записи магнитной информации без
применения внешних магнитных полей. Современные лазеры позволяют
генерировать импульсы света длительностью менее 100 фемтосекунд, что
намного короче, чем любой другой способ воздействия в современной
физике твердого тела. Может ли фемтосекундный лазерный импульс
воздействовать на спины точно так же, как это делает внешнее магнитное
поле? Хорошо известно, что намагничивание среды снимает вырождения
между право- и лево-циркулярно поляризованными волнами, которые
распространяются в этой среде вдоль намагниченности. Такое снятие
вырождения приводит в частности к таким явлениям, как

магнитооптические эффекты Фарадея и Керра. С точки зрения симметрии из этого следует, что и циркулярно поляризованный свет должен снимать вырождение между двумя направлениями спина. Это значит, что свет способен действовать на спины как эффективное магнитное поле. Такое действие света было предсказано Питаевским (1961), а затем и ван дер Зилом с соавторами (1964) и получило название обратного эффекта Фарадея. Исследования этого эффекта проводились в широком классе материалов, но до недавнего времени не было абсолютно никакого понимания, насколько сильным будет опто-магнитное поле, которое создается в среде циркулярно поляризованным импульсом длительностью короче, чем 100 фс.

Попытки теоретического описания действия таких коротких
импульсов на магнитную среду являются на данный момент предметом
жарких споров. Дело в том, что возбуждение на временах намного короче,
чем время установления термодинамического равновесия в среде, то есть
время термализации, составляющее порядка 100 пс, приводит среду в
сильно неравновесное состояние. В таком состоянии многие подходы для
описания магнитной динамики становятся, строго говоря, неприменимы. В
магнетизме часто пользуются макроспиновым приближением и

адиабатическим приближением, которые могут стать неадекватными, если
система не находится в состоянии термодинамического равновесия.
Магнитные фазовые переходы часто описываются в терминах равновесной
термодинамики, и такой подход тоже становится неадекватным, если речь
идет о временах намного короче, чем 100 пс. На сегодняшний день
теоретическая физика находится в поиске адекватных приближений,
которые позволят построить модель отклика спинов на сверхкороткое
лазерное возбуждение. Таким образом, экспериментальное исследование
отклика спинов в магнитоупорядоченных средах на сверхкороткое
лазерное возбуждение является на данный момент основным способом
изучения сверхбыстрого магнетизма. Наконец, следует отметить, что
магнитные явления интуитивно описываются с точки зрения

термодинамики, и экспериментальные исследования спиновой динамики в

сильнонеравновесном состоянии с высокой вероятностью могут привести к неожиданным открытиям.

Например, первые эксперименты по управлению параметром
порядка в металлической пленке Ni с помощью фемтосекундных лазерных
импульсов стали настоящим вызовом для современных теорий в
магнетизме. В частности, в пионерской работе [1], которая была
опубликована в 1996 году и положила начало области сверхбыстрого
(фемтосекундного) магнетизма, сообщалось, что возбуждение

металлического магнетика импульсом длительностью порядка 100 фемтосекунд приводит к частичной потере магнитного порядка и уменьшению суммарной намагниченности на временах около 1 пикосекунды. Время такого сверхбыстрого размагничивания оказалось намного короче, чем характерные времена всех известных на то время взаимодействий, которые могут обеспечить обмен угловым моментом между спинами и решеткой (порядка 100 пикосекунд).

Естественно, вскоре после этих экспериментов было сделано несколько попыток возбудить спиновую динамику с помощью сверхбыстрого эффекта Фарадея в магнитных материалах. Несмотря на эксперименты, которые были проведены несколькими группами в Европе, США и Японии, все эти попытки не привели к заметному действию света на упорядоченные спины. Эти трудности вызывали серьезные сомнения в возможности сверхбыстрого управления спинами с помощью циркулярно поляризованного света.

Основной целью диссертации являлась разработка

фемтосекундного оптического контроля магнетизма. В частности, исследовались прямые эффекты действия света на спины без задействования тепла. На момент начала работы это являлось новым направлением на стыке когерентной нелинейной оптики и магнетизма.

Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс научных задач:

- Исследование особенностей магнитооптического отклика
материалов на сверхбыстрое лазерное возбуждение.

Разработка ряда методик для экспериментального изучения сверхбыстрой спиновой динамики.

Исследование различных механизмов сверхбыстрого действия циркулярно и линейно-поляризованного, и неполяризованного света на спины.

- Исследование механизмов сверхбыстрого управления спиновыми
волнами и спин-поляризованными токами.

Методы исследования, достоверность и обоснованность

Основным методом в данной экспериментальной работе являлся
метод оптической накачки-зондирования. Обоснованность и достоверность
результатов определяется корреляцией полученных экспериментальных и
теоретических данных. Результаты и выводы диссертационной работы
согласуются с экспериментальными и теоретическими данными,
полученными ведущими зарубежными и российскими научными
группами. Экспериментальные исследования проводились на современном
высокоточном оборудовании. Для уменьшения влияния случайных и
статистических погрешностей была проведена автоматизация

экспериментальной установки, что обеспечило высокую

воспроизводимость результатов при многократных (повторных)

измерениях. Результаты проведенных исследований были представлены на
международных конференциях и опубликованы в наиболее

высокорейтинговых международных рецензируемых журналах, входящих в первый квартиль базы данных Web of Science Core Collection.

Апробация работы

Результаты работы доложены и обсуждены на международных конференциях:

International Conference on Photo-Induced Phase Transitions PIPT-2011, June 28-July 2 (2011).

March Meeting of American Physical Society, Dallas, USA, March 20-March 25 (2011).

International Workshop on Novel trends in magnetism and optics of nanostructures, Augustow, Poland, July 2-7 (2011).

Seagate Conclave, Belfast, Northern Ireland, June 18-19 (2012)

Joint European Symposia on Magnetism JEMS2012 Parma, Italy, 9-14 September (2012).

International Advanced School on Magnonics, Santa Margarita Ligure, Italy, 3-7 September (2012).

Physics@FOM Veldhoven, Veldhoven, The Netherlands, January 21-22 (2013); January 20-21 (2015)

International Conference on Functional Materials, Haspra, Crimea, Ukraine September 29 - October 5 (2013).

Dynamic paths in multidimensional landscapes, Workshop, Berlin Germany, September 16-20 (2013).

Ultrafast magnetism conference, Strasbourg, France, October 28 -November 1 (2013).

International Conference on Photoinduced Phase Transitions and Cooperative Phenomena PIPT5 Bled, Slovenia, June 8 - 13 (2014).

Национальная конференция “Нанофизика и наноэлектроника”, Нижний Новгород, Россия, Март 9-13 (2015).

DFG Spring Meeting, Berlin, Germany, 15-20 March (2015).

International workshop on Optical Polarization Conversion at the Nanoscale, Exeter, UK, June 25-26 (2015).

VI Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism", Krasnoyarsk, Russia, August 15-19 (2016).

61st Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, New Orleans, USA, October 31- November 4 (2016).

Научная новизна

Впервые продемонстрированы фемтосекундные обратные эффекты Фарадея и Коттона-Мутона в DyFeO3, Y3Fe5O12, FeBO3.

Впервые продемонстрирован фемтосекундный обратный магниторефрактивный эффект в YFeO3, TmFeO3, FeBO3, EuTe.

Открыта возможность управляемой генерации когерентных спиновых волн на границе зоны Бриллюэна в KNiF3, где возбуждения имеют минимально возможные длины волн и максимально возможные частоты

Открыта возможность управляемой генерации фототоков на интерфейсах Co/Pt. Длительность фототоков определяется длительностью лазерного импульса накачки (менее 100 фс). Направление фототоков определяется намагниченностью Co и поляризацией света.

Продемонстрирована новая концепция магнитооптического модулятора, основанная на взаимодействии света с релятивистской неоднородностью в магнитооптической среде (Tb3Ga5O12). Частота такой модуляции может перестраиваться с помощью внешнего магнитного поля и достигать 1.1 ТГц.

Практическая значимость

Очевидно, что фундаментальные исследования, как правило, далеки от реальных приложений. Тем не менее, существует надежда, что исследования сверхбыстрой динамики намагниченности может привести к созданию принципиально новых технологий, которые довольно скоро могут достичь необходимого уровня конкурентоспособности. За последнее десятилетие крупнейшие производители магнитных носителей (Seagate и HGST) работают над новой концепцией записи информации с помощью света - Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR). Предполагается, что HAMR выйдет на рынок в 2018 году и не понятно, смогут ли магнитные технологии развиваться дальше. Результаты этой работы будут способствовать поиску новых технологий для более быстрой и более энергоэффективной магнитной записи.

Внедрение результатов работ и рекомендации по их

использованию

В настоящее время известно, что почти 2% всего электричества, которое генерируется в мире, используется для поддержания работы

центров хранения данных. Более того, эта цифра постоянно растет. Очевидно, в данный момент перед человечеством стоит проблема поиска принципиально новых технологий для быстрой и энергетически выгодной записи информации. Эта работа выявляет потенциал фемтосекундных лазерных технологий для решения данной проблемы. Результаты работы были использованы при выполнении проекта Министерства образования и науки РФ в рамках постановления Правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 220 (соглашение №14.Z50.31.0034).

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Показано, что импульс света является уникальным возбуждением в магнетизме, которое позволяет воздействовать на спины подобно импульсу магнитного поля, длительность которого равна длительности лазерного импульса (т.е. порядка 100 фс), а индукция достигает нескольких Тесла.

  2. Сверхбыстрое воздействие света на спины может быть достигнуто как в результате нерезонансного, так и резонансного оптического возбуждения электро-дипольных переходов в широком классе магнитных диэлектриков и полупроводников.

  3. Сверхбыстрое воздействие света на спины наблюдается благодаря тому, что возбуждаемые электродипольные переходы приводят к эффективному изменению спин-орбитального или обменного взаимодействия в магнитоупорядоченных средах

  4. Благодаря сверхбыстрому воздействию света на спин-орбитальное взаимодействие, свет может импульсно возбуждать спиновые волны в центре зоны Бриллюэна и генерировать электрические токи в нецентросимметричных средах. Благодаря действию света на обменное взаимодействие становится возможным импульсная генерация когерентных магнонов нанометровых длин волн с частотами, достигающими 22 ТГц. Эти эксперименты по сути открывают возможность изучать спиновую и спин-волновую электронику (спинтронику и магнонику) на рекордно высоких ТГц частотах

  5. В то же время показано, что в соединениях редкоземельных элементов существующие магнитооптические методы изучения спиновой динамики не всегда являются адекватными. Показано, что в таких экспериментах необходимо учитывать многоподрешеточную природу магнетиков, а также эффекты распространения в оптических экспериментах.

Личный вклад автора заключается в постановке и обосновании
задач исследования, разработке методик экспериментального

исследования по всем направлениям, представленным в диссертационной работе, разработке теоретических моделей, проведении расчетов, обработке и анализе основных результатов. Все экспериментальные

результаты работы получены либо автором лично, либо при его непосредственном участии.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы в рецензируемых журналах, индексируемых Web of Science и Scopus, входящих в список ВАК. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованных источников, включающего 302 наименования. Объем диссертации составляет 211 страниц текста, включая 49 иллюстраций и 2 таблицы.