Сверхбыстрый оптомагнитизм распознан. Успехи физических наук
 Скачать 210.09 Kb.
|
|
Октябрь 2015 г. УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Том 185, № 10 КОНФЕРЕНЦИИ И СИМПОЗИУМЫ Сверхбыстрый оптомагнетизм А.М. —алашникова, А.В. —имель, Р.В. Писарев В современном магнетизме в последнее десятилетие сформировалось новое направление — фемтомагнетизм, изучающее возбуждение и управление динамикой магнитных сред на временах, сравнимых с характерными временами спин-решёточного, спин-орбитального или обменного взаимодействия или даже много меньших этих времён. Среди многих фемтомагнитных процессов, изученных к настоящему времени, особое место занимает оптомагнитное взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов со средой. Такое взаимодействие, в основе которого лежат недиссипативные механизмы типа вынужденного комбинационного рассеяния, позволяет эффективно и избирательно возбуждать когерентную спиновую динамику, а также управлять её параметрами. Рассмотрены основные особенности сверхбыстрых оптомагнитных явлений и их связь с магнитооптическими эффектами. Приведено несколько примеров экспериментального наблюдения сверхбыстрой магнитной динамики, возбуждаемой вследствие оптомагнитных явлений — обратных эффектов Фарадея и Коттона - Мутона, и обсуждена их микроскопическая природа. Рассмотрен также экспериментальный пример, демонстрирующий, что сочетание сверхбыстрых оптомагнитых явлений с другими лазерно-индуцированными процессами позволяет реализовать управление намагниченностью в среде на пикосекундных временах. Ключевые слова: сверхбыстрая магнитная динамика, фемтосекундные лазерные импульсы, магнитоупорядоченные диэлектрики, магнитооптика PACS numbers: 42.62.-b, 75.40.Gb, 75.50.Ee, 75.78.Jp, 78.20.Ls, 78.30.-j DOI: 10.3367/UFNr.0185.201510j.1064 Содержание Введение (1064). Магнитооптические и оптомагнитные явления (1066). Экспериментальные методы исследования сверхбыстрой лазерно- индуцированной динамики в магнитных средах (1067). Фемтосекундная магнитооптическая спектроскопия с временным разрешением. 3.2. Одноимпульсная фемтосекундная магнитооптическая микроскопия с временным разрешением. Сверхбыстрые оптомагнитные явления в магнитных диэлектриках (1069). Экспериментальное наблюдение сверхбыстрых обратных эффектов Фарадея и —оттона-Мутона. 4.2. Микроскопические механизмы сверхбыстрых обратных оптомагнитных эффектов. 4.3. Селективное возбуждение магнитной динамики за счёт сверхбыстрых оптомагнитных явлений. Сверхбыстрые оптомагнитные эффекты как способ управления лазерно-индуцированными фазовыми переходами (1072). А.М. Калашникова, Р.В. Писарев. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, ул. Политехническая 26,194021 С.-Петербург, Российская Федерация E-mail: Kalashnikova@mail.ioffe.ru А.В. Кимель. Radboud University Nijmegen, Institute for Molecules and Materials, Heyendaalseweg 135, 6525 AJ Nijmegen, The Netherlands; Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики, просп. Вернадского 78, 119454 Москва, Российская Федерация Статья поступила 15 июля 2015 г. Заключение (1075). Список литературы (1075). Введение За последние два десятилетия в физике конденсированного состояния, и более конкретно — магнитоупорядоченных сред, сформировалось научное направление, получившее название фемтомагнетизм. Под этим термином понимается широкий класс явлений, возникающих в магнитных средах при воздействии на них коротких, длительностью около 100 фс и менее, и интенсивных лазерных импульсов, развивающихся на шкале времён менее 100 пс, характерных для спин-решёточной релаксации [1]. Фемтомагнетизм рассматривает неравновесные физические процессы в условиях, когда спиновая, фононная, а на меньших временах и электронная подсистемы магнитоупорядоченных сред не находятся в термодинамическом равновесии друг с другом. Наиболее подробный обзор работ в области фемтомагнетизма представлен в [2]. Становление этого раздела физики магнитных явлений началось с ряда работ, в которых было показано, что воздействие короткого мощного лазерного импульса переводит магнитоупорядоченную среду в возбуждённое состояние, в котором динамика спиновой системы и последующая релаксация существенно отличаются от известных ранее процессов, рассматриваемых в рамках классической термодинамики. Именно фемтосекундные лазерные импульсы стали сейчас основным средством для изучения процессов и © А.М. —алашникова, А.В. —имель, Р.В. Писарев 2015 механизмов размагничивания, намагничивания и перемагничивания магнитных сред, а также для разработки способов управления сверхбыстрой магнитной динамикой. Большая часть явлений, возникающих при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на магнитоупорядоченные среды, основана на поглощении энергии лазерных импульсов. В случае металлов воздействие фемтосекундных импульсов приводит к субпикосекундному значительному увеличению температуры свободных электронов, что определяет последующую динамику как электронной, так и фононной и спиновой подсистем. Такой сверхбыстрый нагрев электронной подсистемы приводит к сверхбыстрому размагничиванию [3], т.е. к уменьшению величины намагниченности металла на временах > 100 фс, в зависимости от эффективности взаимодействия свободных электронов и электронов, ответственных за намагниченность металла [4]. Строгая микроскопическая теория сверхбыстрого лазерно-индуцированного размагничивания до настоящего времени не разработана, так как она требует описания сильнонеравновесной динамики взаимодействующих между собой электронной, фононной и спиновой подсистем. Несмотря на большое число открытых вопросов, именно сверхбыстрое размагничивание является тем механизмом, который впервые позволил реализовать чисто оптическое переключение намагниченности в ферримагнитных металлах [5]. Другим процессом, основанным на поглощении, является лазерно-индуцированное возбуждение когерентной спиновой прецессии, которое, в отличие от сверхбыстрого размагничивания, не ограничено только металлами. К настоящему моменту рассматривается несколько микроскопических механизмов такого возбуждения, которые условно можно разделить на термические и нетермические. К термическим, как следует из названия, относят те механизмы, которые основаны на лазерно-индуцированном увеличении эффективной температуры одной из подсистем магнитной среды. Так, сверхбыстрое размагничивание в тонких металлических плёнках приводит к изменению размагничивающих полей, что может индуцировать прецессию намагниченности [6]. Кроме того, увеличение эффективной температуры решётки может приводить к изменению магнитокристаллической анизотропии, что в свою очередь является эффективным механизмом возбуждения спиновой прецессии как в металлах [7], так и в диэлектриках [8]. Изменение магнитной анизотропии при воздействии лазерных импульсов, приводящее к возбуждению спиновой прецессии, может иметь и нетермическую природу. Примером таких процессов являются сверхбыстрые фотомагнитные эффекты в ферритах-гранатах [9-12], которые заключаются в лазерно-индуцированном изменении анизотропии в результате переходов с переносом заряда между ионами, занимающими различные кристаллографические позиции и имеющими разную валентность. Такое перераспределение зарядовой плотности может существенно изменить магнитную анизотропию среды [13]. В отличие от термического изменения анизотропии, фотомагнитные эффекты проявляются как возникновение короткоживущих лазерно-индуцированных осей анизотропии. Несмотря на целый ряд результатов, показавших, что поглощение энергии фемтосекундных лазерных импульсов позволяет не только эффективно возбуждать магнитную динамику, но и управлять магнитным состоянием среды [5, 9, 14], термический нагрев, сопровождающий эти процессы, во многих случаях рассматривается как негативный фактор. Кроме того, вовлечение в процесс возбуждения других подсистем, т.е. электронов и фононов, также часто рассматривается как осложняющее обстоятельство оптического возбуждения сверхбыстрой магнитной динамики. В связи с этим сейчас ведётся поиск альтернативных механизмов возбуждения, позволяющих обойти указанные ограничения. Например, активно изучаются возможности возбуждения спиновой динамики пикосекундными импульсами деформации [15, 16] или за счёт резонансных магнитодипольных переходов при воздействии на магнитный материал фемтосекундными импульсами терагерцевого излучения [17 -19]. Однако, как будет рассмотрено в данной статье, фемтосекундные лазерные импульсы также предоставляют интересную и важную возможность прямого возбуждения спиновой системы за счёт так называемых сверхбыстрых оптомагнитных явлений [9, 20-34]. Эти явления занимают особое место среди механизмов взаимодействия лазерных импульсов со средой, так как, в отличие от рассмотренных выше процессов, они не основаны на оптическом поглощении. Оптомагнитное действие света на спины можно рассматривать как результат процессов типа вынужденного комбинационного (рамановского) рассеяния [20, 23, 24]. Такое действие имеет импульсный характер, т.е. возмущение спиновой системы происходит только во время присутствия лазерного импульса в среде. Благодаря этому сверхбыстрые оптомагнитные явления являются эффективным механизмом избирательного возбуждения спиновой системы [29]. Важной особенностью сверхбыстрых оптомагнитных явлений является их высокая чувствительность к поляризации лазерных импульсов [20, 21], которая отсутствует для тепловых механизмов. Таким образом, сверхбыстрые оптомагнитные явления открывают важную степень свободы для управления возбуждением спиновой системы посредством изменения поляризации фемтосекундных лазерных импульсов, а не только интенсивности, длины волны возбуждения или длительности импульсов. Кроме того, сочетание сверхбыстрых оптомагнитных явлений с другими лазерно- индуцированными процессами предоставляет уникальную возможность сверхбыстрого управления магнитным состоянием среды [9, 14, 34]. Модельными средами для экспериментального наблюдения сверхбыстрых оптомагнитных эффектов и магнитной динамики являются магнитоупорядоченные диэлектрики. Такие факторы, как специфика их электронной структуры, наличие запрещённой зоны с высокой оптической прозрачностью, слабое по сравнению с таковым в металлах поглощение лазерного излучения на электронных локализованных d-d- или f — f-переходах и отсутствие свободных электронов, открывают новые возможности для детального исследования взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов со спиновой системой без внесения сильных возмущений в другие подсистемы. Настоящая статья не претендует на исчерпывающий обзор результатов, полученных в области сверхбыстрой лазерно-индуцированной магнитной динамики. В ней рассмотрены лишь некоторые работы, объединённые общей проблемой недиссипативного или слабодиссипативного взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с магнитоупорядоченными средами. В частности, в разделе 2 рассмотрены основные сверхбыстрые оптомагнитные явления и их связь с магнитооптическими эффектами. В разделе 3 обсуждаются принципы экспериментального наблюдения сверхбыстрой лазерно- индуцированной динамики спиновой системы. В разделе 4 представлены результаты экспериментального наблюдения сверхбыстрых оптомагнитных явлений и связанной с ними магнитной динамики и рассмотрены микроскопические механизмы сверхбыстрых оптомагнитных эффектов. Кроме того, рассмотрен вопрос о возможности реализации избирательного возбуждения спиновой системы за счёт таких эффектов, т.е. такого возбуждения, при котором энергия и угловой момент лазерного импульса передаются исключительно в спиновую систему. В разделе 5 обсуждается роль сверхбыстрых оптомагнитных явлений в управлении лазерно- индуцированными фазовыми переходами. В заключении представлены некоторые перспективы дальнейших исследований сверхбыстрых оптомагнитных явлений как важного элемента управления магнитным состоянием сред на пико- и субпикосекундных временах. Магнитооптические и оптомагнитные явления Характер взаимодействия со средой электромагнитного излучения с частотой ю определяется прежде всего спектром электронных, фононных и спиновых состояний и их симметрией. В частности, тип магнитного упорядочения среды играет решающую роль в формировании магнитооптического и, как мы покажем ниже, оптомагнитного откликов. Рассмотрим в качестве примера магнитооптический отклик двухподрешёточного антиферромагнетика со слабым ферромагнетизмом [35-37]. Его магнитную структуру можно описать, введя ферромагнитный и антиферромагнитный векторы: M — M1 + M2 ; L — M1 - М2 ;  (2.1) где M1, M2 — намагниченности отдельных подрешёток. Гамильтониан, описывающий взаимодействие электромагнитной волны на оптической частоте ю с магнитоупорядоченной средой, можно представить в виде разложения по степеням электрического поля света Е(ю) и магнитных параметров порядка M и L [35-38]: HМО _ _(„0 e,e* + a..,FF*M + a' FF*I, + H — (eijFiFj + aijkFiFj Mk + aijkFiFj Fk + + b Г--Г. М M + b',.k,F,.F*FkFz + b"klFiFfMkFt + ...). I IJkl I j F » I IJ k l I J n 1 ' IJ k l I J tv t 1 / (2.2) В выражении (2.2) учтены только члены самого низкого порядка разложения по Е(ю), описывающие линейный оптический и магнитооптический отклики среды. Тензоры различного ранга e0, |