Сверхбыстрый оптомагнитизм распознан. Успехи физических наук

• Название: Успехи физических наук
• Анкор: Сверхбыстрый оптомагнитизм распознан
• Дата: 07.07.2021
• Размер: 210.09 Kb.
• Имя файла: Сверхбыстрый оптомагнитизм распознан.docx
• Тип: Документы; #223603
• страница: 5 из 6

Рис. 6. (а) Одноимпульсные магнитооптические изображения в пластинке (91 мкм) монокристалла (Smo^Plo^FeOj с нормалью вдоль оси с, полученные для различных времён задержки t после воздействия фемтосекундных лазерных импульсов с циркулярной (s+, s i или линейной (л) поляризациями. Начальная температура образца была ниже температуры фазового перехода T1. Светлые и тёмные области соответ­ствуют противоположным знакам проекции намагниченности на нормаль образца (см. изображения в нижней части рисунка). Серые области соответствуют ориентации намагниченности в плоскости образца. (б) Схематическое изображение изменения профиля энергии магнитной анизотропии (сверху вниз): во время возбуждения, в момент фазового перехода и в конечном состоянии. Показано также положение намагниченности в соответствующие моменты времени [14].

Образование домена
ной части спектрального диапазона [78] лазерно-индуци­рованный фазовый переход и возбуждение прецессии за счёт сверхбыстрых обратных оптомагнитных эффектов могут сосуществовать в определённом диапазоне темпе­ратур вблизи температуры фазовых переходов [75]. В связи с этим интересной представляется идея использо­вания баланса между двумя этими процессами для реализации управления ориентационным фазовым пере­ходом циркулярно поляризованными лазерными им­пульсами.

Такая возможность была протестирована экспери­ментально в [14]. Методом одноимпульсной магнитооп­тической микроскопии с временным разрешением (см. раздел 3.2) была исследована пространственно-времен­ная динамика намагниченности в твёрдом растворе ортоферрита (Smo,5Pro,5 )FeO₃ при его возбуждении оди­ночными циркулярно или линейно поляризованными импульсами. Возбуждение и получение соответствую­щих магнитооптических изображений проводились в отсутствие внешнего магнитного поля. На рисунке 6а представлены результаты такого эксперимента, показы­вающие, что одиночный фемтосекундный лазерный импульс индуцирует фазовый переход Г₂ ! Г₂₄, время возникновения которого составляет несколько пикосе­кунд, в полном согласии с данными предыдущих экспе­риментов. В случае возбуждения линейно поляризован­ным импульсом через 5 пс отчётливо наблюдалось формирование многодоменной структуры, как и следо­вало ожидать. Однако при возбуждении импульсами с правой (ст⁺) или левой (ст ) циркулярными поляриза­циями наблюдалось формирование одиночного домена с направлением намагниченности, однозначно связанным с поляризацией лазерного импульса. Таким образом, в данном эксперименте впервые было продемонстриро­вано управление лазерно-индуцированным ориента­ционным фазовым переходом.

Рисунок 6б иллюстрирует механизм такого управле­ния. С одной стороны, воздействие лазерного импульса приводит к возникновению фазового перехода, как обсуждалось в разделе 4.2. Этот процесс показан как изменение профиля энергии анизотропии. С другой стороны, при воздействии циркулярно поляризованного импульса имеет место сверхбыстрый обратный эффект Фарадея (см. раздел 4), приводящий к импульсному воз­буждению прецессии намагниченности. На рисунке 6б это показано как отклонение намагниченности от поло­жения равновесия в момент возбуждения. Таким обра­зом, в момент, когда происходит лазерно-индуцирован­ный фазовый переход, вырождение между новыми мини­мумами снимается динамически благодаря прецессии намагниченности. Следует отметить, что, согласно ре­зультатам предыдущих экспериментов, типичное откло­нение намагниченности от положения равновесия за счёт сверхбыстрых обратных магнитооптических эффектов составляет несколько долей градуса или несколько градусов. Однако даже такого слабого отклонения ока­зывается достаточно для динамического снятия вырож­дения между минимумами в фазе Г₂₄.

На рисунке 6б представлен сценарий, согласно кото­рому время возникновения фазового перехода несколько превышает половину периода прецессии намагниченно­сти, возбуждаемой сверхбыстрым обратным эффектом Фарадея. Как отмечено выше, время, необходимое для возникновения фазового перехода, определяется началь­ной температурой образца и энергией возбуждающего импульса [75]. Например, уменьшая начальную темпера­туру образца, это время можно увеличить таким обра­зом, чтобы оно стало больше половины периода пре­цессии. Соответственно, изображённая на рис. 6б кар­тина изменится, и система окажется в другом минимуме энергии анизотропии. Таким образом, изменяя началь­ную температуру образца или плотность энергии в им­пульсе накачки, можно управлять направлением намаг­ниченности в лазерно-индуцированном домене даже при возбуждении образца одиночными импульсами с одной и той же циркулярной поляризацией. Это и было про­демонстрировано экспериментально в [14].

Следует отметить, что в данном эксперименте упра­вление намагниченностью оказалось возможным благо­даря сверхбыстрому обратному эффекту Фарадея, так как именно он был доминирующим оптомагнитным эффектом в данном материале. В общем случае можно ожидать, что аналогичный механизм управления ориен­тационным фазовым переходом можно реализовать и для линейно поляризованного импульса в среде, где до­минирующим будет сверхбыстрый обратный эффект Коттона - Мутона.

Как обсуждалось в разделе 4.2, микроскопическим механизмом сверхбыстрых оптомагнитных эффектов является импульсное стимулированное рамановское рас­сеяние. С этой точки зрения возбуждение когерентных магнонов за счёт сверхбыстрого обратного эффекта Фарадея, лежащее в основе управления ориентацион­ным фазовым переходом, аналогично возбуждению когерентных фононов [63, 64]. В связи с этим можно предположить, что аналогичный сценарий может быть реализован для управления структурными или сегнето­электрическими переходами, при которых динамическое снятие вырождения будет осуществляться благодаря импульсному поляризационно-зависимому возбужде­нию когерентных фононов.

В заключение обсуждения управления сверхбыст­рыми ориентационными переходами следует отметить, что рассмотренный выше сценарий эффективен в случае переходов 2-го рода. Управление лазерно-индуцирован­ными переходами 1-го рода также возможно за счёт сверхбыстрых оптомагнитных явлений, но оно имеет особенности, связанные с типом ориентационного пере­хода, как показано в [34].

6. 
   Заключение
   

Целью данной статьи было показать, что сверхбыстрые оптомагнитные явления являются эффективным сред­ством возбуждения и управления динамикой спиновой системы. Эти явления заключаются в том, что фемтосе­кундный лазерный импульс с определённой поляриза­цией действует на магнитоупорядоченную среду как короткий импульс эффективного поля. Направление и величина этого поля определяются как параметрами лазерного импульса: интенсивностью, спектральным составом, длительностью и поляризацией, — так и свойствами самой среды, прежде всего её магнитоопти­ческой восприимчивостью, а также типом магнитного упорядочения.

Полученные за последние 10 лет разными группами результаты исследований сверхбыстрых оптомагнитных явлений показали, что последние являются эффективным способом возбуждения магнитной динамики в средах с магнитным упорядочением самого разного типа, от ферромагнитного до хирального. В настоящей статье приведены примеры нескольких сверхбыстрых оптомаг­нитных явлений и их особенности в многоподрешёточ- ных магнитных средах.

Важнейшая особенность сверхбыстрых оптомагнит­ных явлений состоит в том, что они позволяют им- пульсно возбуждать спиновую систему без поглощения. Это отличает их от большинства других механизмов возбуждения магнитной динамики фемтосекундными лазерными импульсами. Несомненно, сверхбыстрые оп­томагнитные явления являются эффективным механиз­мом прямого избирательного возбуждения и управления спиновой динамикой, в том числе и в оптически-про- зрачных средах.

Феноменологическая теория сверхбыстрых оптомаг­нитных явлений позволяет провести аналогию между этими явлениями и магнитооптическими эффектами. В данной статье мы остановились на наиболее изученных к настоящему времени обратных эффектах Фарадея и Коттона-Мутона, позволяющих возбуждать когерент­ную прецессию намагниченности и управлять ею с по­мощью циркулярно и линейно поляризованных лазер­ных импульсов. Эти явления основаны на импульсном стимулированном рамановском рассеянии. Однако спектр магнитооптических явлений, несомненно, намного шире приведённого в таблице в разделе 2. Так, магнито- рефрактивный эффект, связанный с изотропным обмен­ным взаимодействием, проявляется в квадратичной зависимости показателя преломления от намагниченно­сти среды [79-81]. Сверхбыстрый обратный магниторе- фрактивный эффект может быть использован для изме­нения обменного взаимодействия и управления им. Не­давно такая возможность была исследована эксперимен­тально в ряде слабых ферромагнетиков — оксидов железа — в работе [33], где было показано, что фемтосе­кундный лазерный импульс действует как эффективное поле благодаря лазерно-индуцированному изменению эффективных полей изотропного и анизотропного об­мена. Таблица, приведённая в разделе 2, может быть дополнена, как минимум, ещё одним сверхбыстрым оптомагнитным явлением — обратным магниторефрак- тивным эффектом, который открывает возможность прямого управления обменным взаимодействием на фемтосекундной временной шкале.

Следует отметить, что недавно в работе [82] на основе феноменологического рассмотрения был предсказан обратный экваториальный эффект Керра, который за­ключается в возникновении эффективного магнитного поля, индуцированного лазерными импульсами с p-по­ляризацией и ненулевым углом падения. Важное отличие обратного экваториального эффекта Керра от обратных эффектов Фарадея [20] и Коттона-Мутона [21] состоит в том, что необходимым условием для его возникновения является наличие ненулевой мнимой части показателя преломления, т.е. такой эффект может наблюдаться только в поглощающей среде. По нашим сведениям, об экспериментальном наблюдении данного эффекта не сообщалось.

Благодарности. Авторы выражают признательность своим коллегам, в сотрудничестве с которыми получены результаты, представленные в настоящей статье. Мы благодарим Th. Rasing, A. Kirilyuk, А.М. Балбашова, D. Bossini, В.Н. Гриднева, J.A. de Jong, I. Razdolski, П.А. Усачёва за многолетнее плодотворное сотрудниче­ство по исследованию сверхбыстрых оптомагнитных явлений. А.М.К. и Р.В.П. благодарят правительство РФ за поддержу в рамках Программы П220 (грант 14.В25.31.0025), а также Российский фонд фундаменталь­ных исследований (гранты 15-52-53115-ГФЕНа и 15-02- 14222а).

Список литературы

1. 
   Stohr J, Siegmann H C Magnetism: from Fundamentals to Nanoscale Dynamics (Berlin: Springer, 2006)
   
2. 
   Kirilyuk A, Kimel A V, Rasing Th Rev. Mod. Phys. 82 2731 (2010)
   
3. 
   Beaurepaire E et al. Phys. Rev. Lett. 76 4250 (1996)
   
4. 
   Koopmans B et al. Nature Mater. 9 259 (2010)
   
5. 
   Ostler T A et al. Nature Commun. 3 666 (2012)
   
6. 
   van Kampen M Phys. Rev. Lett. 88 227201 (2002)
   
7. 
   Carpene E et al. Phys. Rev. B 81 060415(R) (2010)
   
8. 
   Kimel A Vet al. Nature 429 850(2004)
   
9. 
   Hansteen F et al. Phys. Rev. Lett. 95 047402 (2005)
   
10. 
    Hansteen F et al. Phys. Rev. B 73 014421 (2006)
    
11. 
    Atoneche F et al. Phys. Rev. B 81 214440 (2010)
    
12. 
    Yoshimine I et al. J. Appl. Phys. 116 043907 (2014)
    
13. 
    Коваленко В Ф, Нагаев Э Л УФН 148 561 (1986); Kovalenko VF, Nagaev E L Sov. Phys. Usp. 29 297 (1986)
    
14. 
    de Jong J A et al. Phys. Rev. Lett. 108 157601 (2012)
    
15. 
    Scherbakov A V et al. Phys. Rev. Lett. 105 117204 (2010)
    
16. 
    Caretta A et al. Phys. Rev. B 91 020405(R) (2015)
    
17. 
    Kampfrath T et al. Nature Photon. 5 31 (2011)
    
18. 
    Jin Z et al. Phys. Rev. B 87 094422 (2013)
    
19. 
    Reid A H M et al. Appl. Phys. Lett. 106 082403 (2015)
    
20. 
    Kimel A V et al. Nature 435 655 (2005)
    
21. 
    Kalashnikova A M et al. Phys. Rev. Lett. 99 167205 (2007)
    
22. 
    Kalashnikova A M et al. Phys. Rev. B 78 104301 (2008)
    
23. 
    Gridnev V N Phys. Rev. B 77 094426 (2008)
    
24. 
    Reid A H M et al. Phys. Rev. B 81 104404 (2010)
    
25. 
    Satoh T et al. Phys. Rev. Lett. 105 077402 (2010)
    
26. 
    Iida R et al. Phys. Rev. B 84 064402 (2011)
    
27. 
    Satoh T et al. Nature Photon. 6 662 (2012)
    
28. 
    Nishitani J, NagashimaT, Hangyo M Phys. Rev. B 85 174439 (2012)
    
29. 
    Bossini D et al. Phys. Rev. B 89 060405(R) (2014)
    
30. 
    Satoh T et al. Nature Photon. 9 25 (2015)
    
31. 
    Ogawa N, Seki S, Tokura Y Sci. Rep. 5 9552 (2015)
    
32. 
    Makino T et al. Phys. Rev. B 86 064403 (2012)
    
33. 
    Mikhaylovskiy R V et al. Nature Commun. 6 8190 (2015)
    
34. 
    Kimel A V et al. Nature Phys. 5 727 (2009)
    
35. 
    Писарев Р В ЖЭТФ 58 1421 (1970); Pisarev R V Sov. Phys. JETP 31 761 (1970)
    
36. 
    Туров Е А и др. Симметрия и физические свойства антиферро­магнетиков (М.: Физматлит, 2001)
    
37. 
    Смоленский Г А, Писарев Р В, Синий И Г УФН 116 231 (1975); Smolenskii G A, Pisarev RV, Sinii IG Sov. Phys. Usp. 18 410 (1975)
    
38. 
    Pershan P S, van der Ziel J P, Malmstrom L D Phys. Rev. 143 574 (1966)
    
39. 
    Birss R R Symmetry and Magnetism (Amsterdam: North-Holland Publ. Co., 1966)
    
40. 
    Питаевский Л П ЖЭТФ 39 1450 (1960); Pitaevskii L P Sov. Phys. JETP 12 1008 (1961)
    
41. 
    van der Ziel J P, Pershan P S, Malmstrom L D Phys. Rev. Lett. 15 190 (1965)
    
42. 
    Landau L D, Lifshitz E M Phys. Z. Sowjetunion