Сверхбыстрое лазерно-индуцированное размагничивание в тонких пленках галфенола

Дарья Кунту

Сверхбыстрое лазерно-индуцированное размагничивание в тонких пленках галфенола

Работа посвящена исследованию сверхбыстрой лазерно-индуцированной динамики намагниченности в тонких пленках ферромагнитного металла галфенола FeGa на подложках GaAs. В ходе работы было исследовано экспериментально влияние на сверхбыстрое размагничивание толщины пленок и характера их границы раздела с другими материалами. Также было проведено численное моделирование процессов, происходящих в пленках галфенола под воздействием фемтосекундного лазерного импульса. В перспективе, полученные результаты могут быть использованы для конструирования композитных материалов с оптимальными свойствами для новых методик записи и обработки информации.

Физика

Диссертации

Вуз: Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ФГБОУ ВПО «СПбНИУ ИТМО»)

ID: 5f313d83cd3d3e0001b657fa

UUID: f8e9aa00-bd32-0138-15d1-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 3 лет назад

Просмотры: 25

Дарья Кунту

Комментировать 13

Рецензировать 1

Скачать - 1,6 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ “Национальный исследовательский университет ИТМО” ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА СВЕРХБЫСТРОЕ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЕ РАЗМАГНИЧИВАНИЕ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ ГАЛФЕНОЛА Автор ___Кунту Дарья Вадимовна________ (Фамилия, Имя, Отчество) Направление подготовки (специальность)________16.04.01____ (код, наименование) _____________Техническая физика___________________________________________ Квалификация _____________магистр______________________ (бакалавр, магистр)* Руководитель ВКР_ Калашникова А.М., PhD___ (Фамилия, И., О., ученое звание, степень) Санкт-Петербург, 2020 г.

Обучающийся____Кунту Дарья Вадимовна____________________________________ Группа__Z42781_____Факультет/институт/кластер__Физико-технический факультет______ Направленность (профиль), специализация 16.04.01 Техническая физика _______________ Фотоника диэлектриков и полупроводников_________________________________________ Дата защиты “_16”____июня_________20 20г. Секретарь ГЭК ______Шикер Анна Юрьевна________ (ФИО)

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИТМО" УТВЕРЖДАЮ Руководитель ОП Лимонов М.Ф.___________________ (подпись) «_10_» «_декабря___» 2019 г. ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ Обучающийся_____Кунту Дарья Вадимовна________________________________________ Группа_Z42781___Факультет/институт/кластер________Физико-технический факультет_ Квалификация ______________Магистр____________________________________________ Направление подготовки __________16.04.01 Техническая физика______________ ________ Направленность (профиль) образовательной программы __________Фотоника диэлектриков и полупроводников _____________________________ Специализация ___Нанофотоника_________________________________________________ Тема ВКР______Сверхбыстрое лазерно-индуцированное размагничивание в тонких пленках галфенола_______________________________________________________________________ Руководитель__Калашникова Александра Михайловна, Университет ИТМО, ведущий научный сотрудник, PhD__________________________________________________________ 2 Срок сдачи студентом законченной работы «_01_» «_____июня_______» 2020г. 3 Техническое задание и исходные данные к работе Экспериментально исследовать лазерно-индуцированное сверхбыстрое размагничивание в тонких пленках ферромагнитного металла галфенола Fe0.81Ga0.19 (FeGa). Объекты исследования: серия образцов пленок FeGa толщиной от 4 до 100 нм, выращенных на подложке GaAs, а также многослойные образцы FeGa(7 нм)/Cu(5 нм)/GaAs и FeGa(7 нм)/Cu(5 нм)/FeGa(4 нм)/GaAs. Выявить факторы, влияющие на характер динамики намагниченности, в том числе влияние толщины пленки и границы раздела галфенола с медью и арсенидом галлия. Выполнить расчеты сверхбыстрого размагничивания на основе микроскопической трех-температурной (M3TM) модели . Сопоставить экспериментальные данные с результатами расчетов, и сделать выводы о согласии и расхождениях экспериментальных данных с теоретической моделью.________________________________

4 Содержание выпускной квалификационной работы (перечень подлежащих разработке вопросов) 1) Обзор литературы по сверхбыстрому размагничиванию 2) Описание актуальности поставленной задачи______________________________________ 3) Описание экспериментальной методики и особенностей исследуемых структур__________ 4) Наглядное представление полученных экспериментальных результатов и их анализ, выявление закономерностей в полученных данных, в частности, зависимостей степени и времени размагничивания от толщины слоя галфенола.________________________________ 5)Моделирование лазерно-индуцированного размагничивания на основе M3TM- модели ___ 6) Сопоставление результатов моделирования и экспериментальных данных_____________ 7) Выводы_______________________________________________________________________ 5 Перечень графического материала (с указанием обязательного материала) Данная ВКР содержит 36 рисунков__________________________________________________ 6 Исходные материалы и пособия 1. A. Kirilyuk, A. V. Kimel, and T. Rasing, Ultrafast optical manipulation of magnetic order.// Rev.Mod.Phys. 2010. Vol. 82. P. 2731.________________________________________________ 2. B. Koopmans, G. Malinowski, F. Dalla Longa et al. Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization.// Nature Mater. 2010. Vol. 9, P. 259._________________ 3. M. Battiato, K. Carva, and P. M. Oppeneer, Superdiffusive Spin Transport as a Mechanism of Ultrafast Demagnetization.// Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 105, P. 027203.____________________ 7 Дата выдачи задания «__10__» «__декабря___» 2019 г. Руководитель ВКР Калашникова Александра Михайловна__________ (ФИО)

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИТМО" АН НО ТАЦИЯ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ Обучающийся Кунту Дарья Вадимовна__________________________________________ Наименование темы ВКР:__Сверхбыстрое лазерно-индуцированное размагничивание_____ в тонких пленках галфенола________________________________________________________ Наименование организации, где выполнена ВКР____Университет ИТМО___________ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1 Цель исследования__Поиск способов управления лазерно-индуцированным сверхбыстрым размагничиваниемв тонких пленках ферромагнитного металла 2 Задачи, решаемые в ВКР_________________________________________________________ 1) Экспериментальное исследование сверхбыстрого размагничивания в тонких пленках ферромагнитного металла галфенола Fe0.81Ga0.19 (FeGa) 2) Установление факторов, влияющих на динамику и величину размагничивания, таких как толщина пленки и граница раздела с другими материалами 3) Моделирование лазерно-индуцированного размагничивания с использованием микроскопической трех-температурной (M3TM) модели и сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными. 3 Число источников, использованных при составлении обзора_15______________________ 4 Полное число источников, использованных в работе ___23____________________________ 5 В том числе источников по годам Отечественных Последние 5 лет 1 От 5 до 10 лет - Иностранных Более 10 лет - Последние 5 лет 5 От 5 до 10 лет 9 Более 10 лет 8 6 Использование информационных ресурсов Internet___нет____________________________ _______________________________________________________________________________ 7 Использование современных пакетов компьютерных программ и технологий (Указать, какие именно, и в каком разделе работы) Пакеты компьютерных программ и технологий Мatlab Параграф работы разделы3,4 8 Краткая характеристика полученных результатов 1) Экспериментально получены кривые размагничивания в тонких пленках галфенола на подложке GaAs c толщиной слоя FeGa 4, 5, 10, 20, 50 и 100 нм, а также в многослойных образцах FeGa(7 нм)/Cu(5 нм)/GaAs и FeGa(7 нм)/Cu(5 нм)/FeGa(4 нм)/GaAs. Выявлено существенное отличие характера динамики сверхбыстрого размагничивания в пленке 4 нм от пленок с большей толщиной и многослойных образцов. 2) Обнаружено влияние толщины пленки на степень сверхбыстрого размагничивания, при увеличении толщины степень размагничивания уменьшается для фиксированной плотности энергии в лазерном импульсе.

3) Границы раздела с Cu и GaAs оказывают влияние на величину и время размагничивания, граница раздела с GaAs также оказывает существенное влияние на характер размагничивания. 4) При сопоставлении результатов расчетов по М3ТМ-модели выявлено качественное соответствие экспериментальных и расчетных кривых временных зависимостей сверхбыстрого размагничивания для пленок FeGa толщиной 5 нм и более. 5) Теоретическая модель не выявляет изменения характера сверхбыстрого размагничивания при уменьшении толщины пленки до 4 нм, наблюдаемого в эксприменте. Мы предполагаем, что такое несоответствие указывает на то, что в пленке с малой толщиной сущесвтенное влияние на размагничивание оказывают такие факторы, как спин-орбитальное взаимодействие на границе раздела с GaAs, отличное от объемного и супердиффузионный транспорт, которые не включены в M3TM-модель.______ 9 Полученные гранты, при выполнении работы ____нет_______________________________ _______________________________________________________________________________ 10 Наличие публикаций и выступлений на конференциях по теме выпускной работы_да____ а)1) Кунту, Д.В. Сверхбыстрое лазерно-индуцированное размагничивание в тонких пленках галфенола. Международная Зимняя школа по физике полупроводников – 2020. Научные сообщения молодых ученых. Санкт-Петербург – Зеленогорск, 2020 _________ (Библиографическое описание публикаций) б)1) Международная Зимняя школа по физике полупроводников – 2020, Санкт-Петербург – Зеленогорск, 2020: Д.В. Кунту, “Сверхбыстрое лазерно-индуцированное размагничивание в тонких пленках галфенола.” (постер)_______________________________________________ (Библиографическое описание выступлений на конференциях)

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение…………………………………………………………………………...5 1 Обзор литературы……………………………………………………………....6 1.1 Сверхбыстрое лазерно-индуцированное размагничивание в ферромагнитных металлах……………………………………………………….6 1.2 Актуальность работы……………………………………………………..….9 1.3 Цель и задачи работы……………………………………………………….10 2 Экспериментальная методика………………………………………………..12 2.1 Методика двуцветной магнитооптической накачки-зондирования……..12 2.2 Тонкие пленки галфенола FeGa и многослойные структуры на подложках GaAs………………………………………………………….…..16 2.3 Интерпретация результатов измерений……………………………….…..20 3 Экспериментальные результаты………………………………………..……24 3.1 Лазерно-индуцированная динамика намагниченности для различных типов структур…………………………………………………………………...24 3.2 Зависимость времени и степени размагничивания от плотности энергии импульса накачки……………………………………………………………..…39 4 Моделирование лазерно-индуцированного размагничивания……………..44 4.1 Микроскопическая трех-температурная модель……………………….…44 4.2 Сопоставление с экспериментальными результатами……………………48 4.3 Особенности динамики размагничивания для структур, в которых присутствует граница раздела с GaAs………………………………………….52 Заключение…………………………………………………………………….…56 Благодарности……………………………………………………………………58 Список использованных источников……………………………………….…..59 4

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время ведется поиск новых и усовершенствованных подходов к управлению намагниченностью на сверхкоротких временных (менее 100 пикосекунд) и сверхмалых пространственных (нанометровых) масштабах. Воздействие фемтосекундными лазерными импульсами позволяет изменять магнитное состояние материалов и наноструктур на пико- и даже суб-пикосекундных временах [1]. Уже известен целый ряд процессов, возникающих при воздействии таких импульсов на магнитные материалы и приводящих к быстрому изменению величины или направления намагниченности [1; 2]. Среди таких процессов одним из самых важных и, в тоже время, не получившим до сих пор однозначной теоретической интерпретации является сверхбыстрое лазерно-индуцированное размагничивание, которое было впервые обнаружено в 1996 году [3]. Сверхбыстрое размагничивание лежит в основе полностью оптического переключения намагниченности [4], которое может быть использовано в устройствах записи экспериментально и хранения исследовано информации. сверхбыстрое В данной работе лазерно-индуцированное размагничивание в тонких пленках ферромагнитного металла галфнола. Также изучено влияние на параметры динамики размагничивания таких факторов, как толщина ферромагнитной пленки и граница раздела с другими материалами. 5

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Сверхбыстрое лазерно-индуцированное размагничивание в ферромагнитных металлах Управление намагниченностью материала представляет собой интересную и актуальную научную проблему, как перспектива для усовершенствования и разработки новых устройств записи и хранения информации. Использование оптического излучения позволяет изменять магнитное состояние веществ на очень малых пространственных и временных масштабах, в то время как приложение исключительно магнитного поля не позволяет достигнуть временного разрешения менее, чем порядка пикосекунд [1]. Современные оптические лазерные системы дают возможность получать субпикосекундные, а также фемтосекундные оптические импульсы, что позволяет в перспективе увеличить быстродействие и производительность разрабатываемых функциональных элементов для информационных технологий. Воздействие лазерным импульсом на магнитный материал может индуцировать такие явления, как прецессия намагниченности [5], магнитостатические спиновые волны [6], а также полностью оптическое переключение намагниченности [4] и сверхбыстрое размагничивание [3]. Сверхбыстрое представляет собой лазерно-индуцированное уменьшение намагниченности размагничивание материала при воздействии короткого оптического лазерного импульса. В работе [3] было впервые экспериментально показано, что в результате воздействия 50фемтосекундным лазерным импульсом намагниченность в тонких пленках ферромагнитного металла никеля существенно уменьшается на временных масштабах порядка 100 фс, то есть сравнимых с длительностью самого импульса. В 2007 году в работе [4] было впервые продемонстрировано 6

полностью оптическое лазерными импульсами, размагничивание. сверхбыстрого переключение в Однако основе намагниченности которого микроскопические размагничивания остаются одиночными лежит сверхбыстрое механизмы предметом процесса активного обсуждения в научном сообществе. На настоящий момент показано, что в основе сверхбыстрого размагничивания лежит сложная динамика электронной, решеточной и спиновой подсистем материала, возникающая при оптическом возбуждении [7]. На данный момент известны два основных подхода к описанию динамики процессов, происходящих в магнитных металлах при оптическом возбуждении. Полуклассическая модель, предложенная в работе [8], подразумевает численное решение уравнений диффузии для возбуждаемых лазерным импульсом электронов в тонком слое ферромагнитного металла. Перенос поляризованных по спину электронов в супердиффузионном режиме определяет характерные времена процесса размагничивания около 200 фс для никеля, что не противоречит имеющимся экспериментальным данным. Однако наиболее распространенными моделями сверхбыстрого размагничивания являются модели, основанные на введении эффективных температур различных подсистем и взаимодействий между ними. Еще в первой работе по сверхбыстрому размагничиванию [3] было предложено описывать динамику взаимодействия между тремя подсистемами в металле – электронам, решеткой и спинами – при возбуждении лазерным импульсом путем сопоставления каждой подсистеме лазерно-индуцированных изменений эффективных температур. Такая модель получила название трехтемпературная модель (3TM-модель). Рисунке 1 схематично изображено взаимодействие этих подсистем. Данный подход был развит далее в работе [7] путем учета временных масштабов и особенностей передачи энергии и углового момента между электронной, 7 решеточной и спиновой

подсистемами, и разработке микроскопической трех-температурной (M3TM) модели. Рисунок 1 – Три резервуара энергии и углового момента, рассматриваемые в 3ТМ модели, G – параметры взаимодействия между соответствующими системами. Рисунок взят из работы [1] В рамках M3TM-модели, благодаря учету различий электронных конфигураций и природы магнитного упорядочения в переходном металле никеле и (3d-электроны) электроны), удалось редкоземельном объяснить металле экспериментально гадолинии (4f- обнаруженные существенные отличия в динамике намагниченности в этих двух типах ферромагнитных металлов [7]. Однако, несмотря на то, что имеющиеся модели находятся в разумном согласии с частью экспериментальных данных, в научном сообществе продолжается активная дискуссия в отношении строгого описания микроскопических процессов, происходящих в магнитных металлах при воздействии лазерных импульсов. Также важной фундаментальной задачей является и экспериментальное изучение влияния различных факторов на сверхбыстрое размагничивание, таких как параметры ферромагнитных материалов и структур на их основе, а также характер их границы раздела с другими материалами. 8

1.2 Актуальность работы Интерес к сверхбыстрому лазерно-индуцированному размагничиванию обусловлен не только его сложной природой, но и тем, что оно лежит в основе явления полностью оптического переключения намагниченности [4]. Такое переключение было впервые реализовано в металлическом ферримагнетике GdFeCo и основывается на возможности индуцировать 100% размагничивание в магнитных подрешетках гадолиния и железа и на разной скорости их размагничивания [9]. Уже показано, что такое переключение можно реализовать на нанометровых пространственных масштабах [10]. Перспективой использования фемтосекундных лазерных импульсов для переключения намагниченности является разработка новых систем записи и обработки информации. С учетом того, что современные требования к подобным системам включают энергоэффективность, компактность, высокую плотность и скорость записи информации, использование явления полностью оптического переключения намагниченности может стать решением проблем, возникающих при разработке новых устройств хранения и обработки информации [11]. Так, реализованный в термомагнитной записи (heat-assisted magnetic recording, HAMR) подход, в котором переключение намагниченности реализуется импульсом магнитного поля в домене, предварительно «разогретом» лазерным импульсом, позволил сократить размер области, в которой хранится бит с 7-9 нм до 3-5 нм, а также уменьшить необходимую напряженность магнитного поля, используемого для записи [12]. Полностью оптическое переключение намагниченности, для реализации которого не нужно магнитное поле, может дать еще более существенный выигрыш как в скорости, так и в энергоэффективности. Кроме того, имеются результаты по 9

конструированию композитных ферримагнетиков – гетероструктур, состоящих из тонких слоев различных ферромагнитных материалов, связанных между собой различными взаимодействиями [13], что расширяет возможности для создания новых материалов с оптимизированными свойствами для полностью оптического переключения намагниченности. Таким образом, изучение сверхбыстрой лазерно-индуцированное динамики в тонких и сверхтонких слоях магнитных металлов и влияния интерфейсов на динамику намагниченности является актуальной экспериментальной и теоретической задачей. 1.3 Цель и задачи работы Целью данной работы является поиск способов управления параметрами сверхбыстрого лазерно-индуцированного размагничивания, в частности, выявление параметров магнитных структур, влияющих на его характерные времена и величину. Для этого в ходе работы экспериментально исследовано сверхбыстрое размагничивание в тонких пленках ферромагнитного металла галфенола Fe0.81Ga0.19 (FeGa). Основной задачей работы является изучение влияния на этот процесс толщины ферромагнитной пленки и характера ее интерфейса с подложкой или другими слоями в гетероструктуре. Для решения этой задачи были проведены измерения по методике фемтосекундной магнитооптической накачки-зондирования. Исследовано сверхбыстрое размагничивание в пленках FeGa толщиной от 4 до 100 нм на подложке GaAs, а также в многослойных образцах структурах FeGa(7нм)/Cu(5нм)/GaAs и FeGa(7нм)/Cu(5нм)/FeGa(4нм)/GaAs. В качестве явления, представляющего особый интерес в данном исследовании, выбрано влияние границы раздела FeGa/GaAs на процесс размагничивания в галфеноле. Имеющиеся сведения говорят о существенном влиянии такого интерфейса на равновесную динамику намагниченности в ферромагнитных металлах [14], и в частности, 10

на коэффициент гильбертовского затухания прецессии намагниченности. Согласно теории, предложенной в работе [15], сверхбыстрое размагничивание связано, в том числе, с данным макроскопическим параметром, т.к. и затухание прецессии и сверхбыстрое размагничивание в рамках M3TM-модели основано на спин-решеточном взаимодействии. В данной работе изучено влияние такой границы раздела на неравновесную динамику намагниченности, что предоставит возможность для более полного понимания связи между особенностями процесса размагничивания и свойствами изучаемых материалов. Таким образом, задачами, поставленными в данной работе, являются: 1) Экспериментально исследовать индуцированное размагничивание сверхбыстрое в лазерно- тонких пленках ферромагнитного металла галфенола Fe0.81Ga0.19 (FeGa). 2) Определить основные сверхбыстрого параметры, размагничивания - описывающие времена и процесс степень размагничивания, и выявить их изменения в зависимости от плотности энергии в лазерном импульсе, толщины пленки, границы раздела. 3) Провести моделирование процесса сверхбыстрого размагничивания в рамках микросокопической трех-температурной модели и выявить согласие или расхождение характеристик сверхбыстрого размагничивания, полученных в эксперименте и в теории. 11

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА 2.1 Методика двуцветной магнитооптической накачки-зондирования Эксперимент проводится по методике фемтосекундной двуцветной магнитооптической накачки-зондирования. Возбуждение динамики намагниченности производится путем воздействия лазерным импульсом длительностью 170 фс и длиной волны 1030 нм. Схема эксперимента представлена на Рисунке 2. Образец помещен между полюсниками электромагнита, позволяющего прикладывать в плоскости образца постоянное внешнее магнитное поле H индукцией до 500 мТ, как показано на Рисунке 2. Рисунок 2 - Схема эксперимента по методике фемтосекундной магнитооптической накачки-зондирования Детектирование изменений намагниченности производится путем измерения величины меридионального магнитооптического эффекта Керра для отраженного импульса зондирования (170 фс, 515нм) в зависимости от времени задержки между импульсами накачки и зондирования. Меридиональный магнитооптический эффект Керра заключается в повороте плоскости поляризации 𝜃 линейно поляризованного света при отражении от намагниченного образца. Величина угла Θ поворота плоскости поляризации 12

прямо пропорциональна проекции вектора намагниченности на плоскость падения волны, и определяется формулой: 𝚯 ≅ Im 𝑛 sin 𝜑 (sin 𝜑 tan 𝜑 −√𝑛2 −sin2 φ) (𝑛2 −1)(𝑛2 −tan2 𝜑)√𝑛2 −sin2 φ 𝑄(𝑀𝑧 ), (1) где 𝜑-угол падения излучения, 𝑛 – комплексный показатель преломления магнитного материала, Q(Mz) – магнитооптический параметр, линейный по намагниченности. Формула приведена для случая p-поляризованного излучения [16]. Схема наблюдения меридионального эффекта Керра представлена на Рисунке 3. Рисунок 3 - Меридиональный магнитооптический эффект Керра Измерение зависимости зависимостей угла Θ от времени задержки между моментом возбуждения материала импульсом накачки и моментом взаимодействия с материалом импульса зондирования позволяет получить информацию о поведении проекции намагниченности на ось z после возбуждения на временах от нескольких фемтосекунд до нескольких наносекунд. Схема экспериментальной установки представлена на Рисунке 4. 13

Рисунок 4 - Схема экспериментальной установки по измерению лазерноиндуцированного меридионального магнитооптического эффекта Керра В эксперименте используется фемтосекундная лазерная система PHAROS (Light Conversion) на основе кристалла калий-гадолиниевого вольфрамата, легированного иттербием (Yb:KGd(WO4)2). Для генерации второй гармоники применяется кристалл бета-бората бария (BBO). Использование кристалла позволяет разделить по длине волны импульсы накачки и зондирования. Также используется опто-механическая линия задержки (Delay line) LTS300 (ThorLabs) с диапазоном времен задержки 3 нс и минимальным шагом по времени 7 фс. Для регистрации изменений поворота плоскости поляризации ΔΘ импульсов зондирования используются диодный балансный фотодетектор Nirvana 2007 (Newport) и синхронный усилитель SR830 (Stanford Research Systems), диапазон рабочих частот от 1 мГц до 102 кГц. Поворот плоскости поляризации измеряется следующим образом. После отражения от образца, линейно поляризованный импульс зондирования проходит через полуволновую пластинку и призму Волластона 14

и попадает на балансный фотодетектор. Перед началом измерений положение полуволновой пластинки выставляется таким образом, чтобы после прохождения призмы Воластона, разделяющей линейно поляризованный свет на две составляющие, поляризованные ортогонально друг другу, оба фотодиода в балансном фотодетекторе регистрировали равную интенсивность света (выставление баланса). После возбуждения динамики намагниченности плоскость поляризации импульса зондирования поворачивается, относительно начального положения, на некоторый угол ΔΘ, определяемый изменением проекции намагниченности Δ𝑀𝑧 на ось z (формула 1). Инструментально величину угла и направление поворота плоскости поляризации можно определить из разности интенсивностей излучения, зарегистрированного на двух фотодиодах балансного детектора. Разностный сигнал балансного детектора передается на синхронный усилитель для выделения полезного сигнала. В качестве опорной частоты для выделения полезного сигнала используется частота оптомеханического модулятора («Chopper» на Рисунке 4), установленного на пути следования импульса накачки, равная 1 кГц. Скважность используемого оптомеханического модулятора равна ½. Синхронный усилитель используется для исключения влияния на сигнал случайных флуктуаций мощности импульса накачки и шумов на частотах, отличных от опорной. Накопление полезного сигнала происходит за время 300 мс, в результате в измерениях достигается соотношение сигнал-шум, равное 10. Частота повторения импульсов, используемая в экспериментах по измерению динамики размагничивания, равна 100 кГц, обусловлена диапазоном плотности энергии в импульсе накачки, необходимым для измерений. 15

2.2 Тонкие пленки галфенола FeGa и многослойные структуры на подложках GaAs Для исследования сверхбыстрого размагничивания использовалась серия образцов пленок галфенола толщиной от 4 до 100 нм, выращенных методом магнетронного распыления на подложке арсенида галлия (GaAs) толщиной 350 мкм, использовались ориентированной многослойные в образцы плоскости (001). Также FeGa(7нм)/Cu(5нм) и FeGa(7нм)/Cu(5нм)/FeGa(4нм) на подложках GaAs для изучения влияния интерфейса с другими размагничивания в галфеноле. материалами Все образцы были на динамику изготовлены и охарактеризованы в Университете Ноттингема. На Рисунке 5 представлено схематичное изображение исследуемых структур. Рисунок 5- Виды исследуемых структур: тонкие пленки FeGa на подложке GaAs и многослойные образцы FeGa/Cu/GaAs, FeGa/Cu/FeGa. Кроме того, все образцы покрыты тонким защитным слоем металла. Образцы с толщиной пленок FeGa 4 нм, 20 нм, 100 нм, а также многослойные структуры FeGa/Cu/GaAs и FeGa/Cu/FeGa покрыты слоем алюминия (Al) толщиной 3нм, а образцы FeGa 5 нм , 10 нм и 50 нм, слоем хрома (Cr) 2,5 нм. Пленки галфенола имеют поликристаллическую структуру с размером зерна около 12 нм, и с относительной разориентацией поликристаллов не более 5 градусов [17]. 16

Намагниченность насыщения галфенола составляет 1.8 T. Из предыдущих исследований известно, что пленки FeGa, выращенные на подложке GaAs (001), имеют кубическую анизотропию в объеме, и обусловленную подложкой одноосную анизотропию в плоскости [18]. Так, в исследуемых пленках галфенола имеются две оси трудного намагничивания, ориентированные вдоль кристаллографических направлений [110] и [11̅0], а также две оси легкого намагничивания, ориентированных соответственно в направлениях [100] и [010] [18]. На предварительном этапе проводится характеризация образцов методом магнитооптической поляриметрии для получения информации о магнитной структуре, в частности, о направлении осей лёгкого и трудного намагничивания, ширине петель гистерезиса и намагниченности насыщения. На Рисунках 6-8 представлены характерные петли гистерезиса для различных типов образцов. Во всех случаях петли гистерезиса имеют коэрцитивность порядка 5-10 мТ, их форма подтверждает, что намагниченность в пленках галфенола ориентирована в плоскости пленки. 17

Рисунок 6 - Петля гистерезиса для пленки FeGa(4 нм)/GaAs Рисунок 7 - Петля гистерезиса для многослойной структуры FeGa(7нм)/Cu(5нм)/GaAs 18

Рисунок 8 - Петля гистерезиса для многослойной структуры FeGa(7нм)/Cu(5нм)/FeGa(4нм)/GaAs 19

2.3 Интерпретация результатов измерений Характеризация образцов путем измерения петли гистерезиса позволяет определить угол поворота плоскости поляризации отраженного импульса зондирования Θs, пропорциональный компоненте намагниченности насыщения вдоль поля для данного образца и поле насыщения Hs, как показано на Рисунке 9. Рисунок 9 – Определение намагниченности насыщения и поля насыщения образца путем измерения петли гистерезиса При исследовании лазерно-индуцированной динамки намагниченности нужно приложить к образцу поле, превышающее поле насыщения, чтобы обеспечить однодоменное состояние образца и исключить возможность доворота намагниченности к полю в процессе лазерно-индуцированных изменений, что привело бы к неверной интерпретации полученных результатов. В намагниченности эксперименте измеряется по лазерно-индуцированной зависимость угла поворота динамки плоскости поляризации импульсов зондирования ΔΘ от времени t задержки между импульсами накачки и зондирования 20 при двух противоположных

направлениях внешнего магнитного поля. Типичный вид таких зависимостей приведен на Рисунке 10. Рисунок 10 – Зависимость угла поворота плоскости поляризации импульсов зондирования ΔΘ от времени t задержки между импульсами накачки и зондирования, измеренная при двух противоположных направлениях внешнего магнитного поля, а также разность этих зависимостей В полученный сигнал при каждом поле могут давать вклад как лазерноиндуцированное изменение намагниченности, так и другие эффекты, не связанные с магнитным порядком, например, изменения температуры решетки и электронов, влияющие на оптические свойства материала. Поэтому вклад, зависящий от намагниченности, выделяется путем получения разности двух зависимостей, полученных в положительном и отрицательном поле. Действительно, меридиональный эффект Керра является линейным по намагниченности эффектом, и меняет знак при изменении знака поля. 21

Относительную величину размагничивания можно определить по формуле (2): ∆𝑀𝑠 𝑀𝑠 = ∆𝛩(+𝐻𝑠 )−∆𝛩(−𝐻𝑠 ) . 2𝛩𝑠 (2) Далее полученная временная зависимость относительной величины размагничивания аппроксимируется функцией по формуле (3): ∆𝑀𝑠 𝑀𝑠 (𝑡) = 𝐴1 (𝑒 −𝑡⁄𝜏1 − 1) + 𝐴2 (1 − 𝑒 −𝑡⁄𝜏2 ) ∗ 𝐺 (𝑡), (3) где: A1 – степень размагничивания в процентах (%), τ1 – время размагничивания в пикосекундах (пс), τ2 – время частичного восстановления намагниченности в пикосекундах (пс), A2 – численный параметр восстановления намагниченности в процентах (%), G (t) – временной профиль импульса зондирования, представляющий собой гауссову функцию времени задержки t: 𝐺 (𝑡) = 1 𝜎 √2𝜋 𝑒 − 𝑡2 2𝜎2 . (4) Параметр 𝜎 в формуле (4) - полуширина гауссова профиля, которая связана с длительностью импульса ∆𝑡 как: 22

𝜎=2 ∆𝑡 √2 𝑙𝑛2 23 . (5)

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 3.1 Лазерно-индуцированная динамика намагниченности для различных типов структур В работе были экспериментально получены кривые размагничивания для образцов с толщинами слоя галфенола от 4 до 100 нм при различных плотностях энергии в импульсе накачки. На Рисунках 11, 12, 13, 14, 15, 16 представлены кривые размагничивания для пленок галфенола на подложке GaAs с толщинами 4, 5, 10, 20, 50 и 100 нм, соответственно, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 м Дж/см2 на временах задержки до 8 пс. 24

0 -2 DMs/Ms (%) -4 2 mJ/cm2 6 mJ/cm2 8 mJ/cm2 8 mJ/cm2 10 mJ/cm2 12 mJ/cm2 14 mJ/cm2 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 0 2 4 6 8 Delay time (ps) Рисунок 11 - Кривые размагничивания для пленки FeGa (4нм)/GaAs, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс 25

0 -2 DMs/Ms (%) -4 2 mJ/cm2 4 mJ/cm2 6 mJ/cm2 8 mJ/cm2 10 mJ/cm2 12 mJ/cm2 14 mJ/cm2 -6 -8 -10 -12 -14 0 2 4 6 8 Delay time (ps) Рисунок 12 - Кривые размагничивания для пленки FeGa (5нм)/GaAs, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс 26

0 2 mJ/cm2 4 mJ/cm2 8 mJ/cm2 10 mJ/cm2 14 mJ/cm2 DMs/Ms (%) -2 -4 -6 -8 -10 0 2 4 6 8 Delay time (ps) Рисунок 13 - Кривые размагничивания для пленки FeGa (10нм)/GaAs, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс 27

0 -2 2 mJ/cm2 4 mJ/cm2 6 mJ/cm2 8 mJ/cm2 10 mJ/cm2 12 mJ/cm2 14 mJ/cm2 DMs/Ms (%) -4 -6 -8 -10 -12 -14 0 2 4 6 8 Delay time (ps) Рисунок 14 - Кривые размагничивания для пленки FeGa (20нм)/GaAs, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс 28

1 0 2 mJ/cm2 4 mJ/cm2 6 mJ/cm2 10 mJ/cm2 12 mJ/cm2 14 mJ/cm2 DMs/Ms (%) -1 -2 -3 -4 -5 -6 0 2 4 6 8 Delay time (ps) Рисунок 15 - Кривые размагничивания для пленки FeGa (50нм)/GaAs, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс 29

0 2 mJ/cm2 4 mJ/cm2 6 mJ/cm2 8 mJ/cm2 10 mJ/cm2 12 mJ/cm2 14 mJ/cm2 DMs/Ms (%) -2 -4 -6 -8 -10 0 2 4 6 8 Delay time (ps) Рисунок 16 - Кривые размагничивания для пленки FeGa (100нм)/GaAs, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс На Рисунках 17 и 18 представлены кривые размагничивания для многослойных структур FeGa(7нм)/Cu(5нм)/GaAs FeGa(7нм)/Cu(5нм)/FeGa(4нм)/GaAs, соответственно. 30 и

0 DMs/Ms (%) -2 2 mJ/cm2 4 mJ/cm2 6 mJ/cm2 8 mJ/cm2 10 mJ/cm2 12 mJ/cm2 14 mJ/cm2 -4 -6 -8 -10 0 2 4 6 8 Delay time (ps) Рисунок 17 - Кривые размагничивания для структуры FeGa(7нм)/Cu(5нм)/GaAs, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс 31

0 2 mJ/cm2 4 mJ/cm2 6 mJ/cm2 8 mJ/cm2 10 mJ/cm2 12 mJ/cm2 14 mJ/cm2 DMs/Ms (%) -2 -4 -6 -8 -10 -12 0 2 4 6 8 Delay time (ps) Рисунок 18 - Кривые размагничивания для структуры FeGa(7нм)/Cu(5нм)/FeGa(4нм)/GaAs, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс Из приведенных зависимостей видны следующие особенности динамики размагничивания. Во-первых, во всех образцах за время ~1 пс происходит существенное уменьшение намагниченности. За этим процессом во всех образцах за исключением образца с самой тонкой пленкой галфенола 4 нм (Рисунок 11), следует частичное восстановление намагниченности, происходящее на временной шкале в несколько пикосекунд. В пленке 4 нм, частичного восстановления намагниченности в диапазоне времен до 8 пс не наблюдается. Измереные на более длительных временах до 60 пс кривые размагничивания для FeGa(7нм)/Cu(5нм)/GaAs образцов FeGa(4нм)/GaAs, и FeGa(10нм)/GaAs, FeGa(7нм)/Cu(5нм)/FeGa(4нм)/GaAs 32

представлены на Рисунках 19-22. Из Рисунков 11 и 19 видно, что динамика размагничивания для пленки 4 нм заметно отличается от остальных образцов. Так, размагничивание в ней происходит не в один, а в два этапа и наибольшая степень размагничивания достигается на временах задержки более 10 пс, а уже затем наблюдается процесс частичного восстановления намагниченности. 0 -2 2 mJ/cm2 4 mJ/cm2 6 mJ/cm2 8 mJ/cm2 10 mJ/cm2 12 mJ/cm2 14 mJ/cm2 -3 DMs/Ms (%) -5 -7 -8 -10 -12 -13 -15 -17 -18 0 10 20 30 40 50 60 Delay time (ps) Рисунок 19 - Кривые размагничивания для пленки FeGa (4нм)/GaAs, полученные для различных мощностей импульса накачки в диапазоне от 2 до 14 мДж/см2 для времен задержки до 60 пс Из Рисунков 20-22 видно, что для пленок с большей толщиной, а также для многослойных структур не наблюдается двухэтапного размагничивания, аналогичного пленке 4 нм. То есть сразу после размагничивания, происходящего за время около 1 пс, начинается процесс частичного восстановления намагниченности. 33

1 0 -1 -2 8 mJ/cm2 14 mJ/cm2 DMs/Ms (%) -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -10 0 10 20 30 40 50 Delay time (ps) Рисунок 20 - Кривые размагничивания для пленки FeGa (10нм)/GaAs, полученные для мощностей импульса накачки 8 и14мДж/см2 для времен задержки до 60 пс 34

0 DMs/Ms (%) -1 -3 -4 4 mJ/cm2 8 mJ/cm2 12 mJ/cm2 -6 -7 0 10 20 30 40 50 60 Delay time (ps) Рисунок 21 - Кривые размагничивания для структуры FeGa/Сu/GaAs, полученные для мощностей импульса накачки 4, 8 и 12мДж/см2 для времен задержки до 60 пс 35

0 DMs/Ms (%) -2 -4 4 mJ/cm2 8 mJ/cm2 14 mJ/cm2 -6 -9 0 10 20 30 40 50 Delay time (ps) Рисунок 22 - Кривые размагничивания для структуры FeGa/Сu/FeGa/GaAs, полученные для мощностей импульса накачки 4, 8 и 14мДж/см2 для времен задержки до 60 пс Из приведенных данных видно, что динамика размагничивания заметно отличается для пленок галфенола 4 нм в сравнении с пленками галфенола большей толщины, а также многослойными структурами. Для наглядности сравнения можно представить экспериментальные кривые размагничивания для пленок галфенола различной толщины на Рисунке 23. 36

Рисунок 23 – Кривые размагничивания для пленок FeGa 4, 5, 10 и 50 нм, полученные для мощностей импульса накачки 4 и 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс, точками показаны экспериментальные данные, сплошными линиями – аппроксимация по формуле (3) Из рисунка видно, что относительная степень размагничивания при фиксированной плотности энергии возбуждающего импульса уменьшается при увеличении толщины размагничивания одинаков пленки, при этом характер динамики у пленок 5, 10 и 50 нм, т.е. наблюдается размагничивание в течение пикосекунды, а затем – более медленное восстановление намагниченности. В пленке толщиной 4 нм ситуация качественно иная. При той же плотности энергии возбуждающего импульса размагничивание происходит в два этапа: быстрое размагничивание на 37

первой пикосекунде, за которым следует не восстановление намагниченности, а более медленное размагничивание. Для многослойных структур FeGa/Cu/GaAs и FeGa/Cu/FeGa/GaAs также были получены кривые размагничивания, представленные на Рисунке 24. Рисунок 24 - Кривые размагничивания для многослойных структур FeGa/Cu/GaAs и FeGa/Cu/FeGa/GaAs, полученные для мощностей импульса накачки 4 и 14 мДж/см2 для времен задержки до 8 пс, точками показаны экспериментальные данные, сплошными линиями – аппроксимация по формуле (3) По полученным экспериментальным данным можно заметить, что характер лазерно-индуцированной динамики намагниченности в многослойных образцах близка по характеру к пленкам с толщиной 5 нм и более, хотя образец FeGa/Cu/FeGa/GaAs содержит слой FeGa (4 нм). 38

3.2 Зависимость времени и величины размагничивания от плотности энергии импульса накачки Для того, чтобы получить численные характеристики изменений характера сверхбыстрого лазерно-индуцированного размагничивания с изменением толщины пленок и плотности энергии в импульсе, были определены степень A1 и время τ1 размагничивания, а также степень частичного восстановления намагниченности А2 и соответствующее время τ2. Их значения получены, как численные параметры аппроксимации кривых размагничивания по формуле (3). Аппроксимация экспериментальных кривых производилась с помощью программного пакета Matlab. 35 30 FeGa/Cu/GaAs FeGa/Cu/FeGa/GaAs 25 20 15 A1 (%) 10 4 nm 5 nm 5 0 35 30 50 nm 100 nm 25 20 15 10 nm 20 nm 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 Fluence (mJ/cm2) 39 4 6 8 10 12 14

Рисунок 25 - Зависимость степени размагничивания А1 от плотности энергии в импульсе накачки для пленок толщины 4,5,10, 20, 50 и 100 нм и многослойных структур. На Рисунке 25 приведены зависимости степени размагничивания А1 плотности энергии импульса накачки для всех исследованных образцов. Из рисунка видно, что степень размагничивания линейно растет с увеличением плотности энергии в импульсе накачки для всех образцов, что не противоречит ранее известным результатам [7]. На Рисунке 26 представлена зависимость времени размагничивания τ1 от плотности энергии в импульсе накачки для пленок галфенола различной толщины и многослойных структур. Из Рисунка 26 видно, что для всех образцов кроме пленки с самой малой толщиной 4 нм, время размагничивания мало изменяется при изменении плотности энергии в импульсе. Для пленки толщиной 4 нм это время существенно меняется при увеличении плотности энергии в импульсе накачки. При этом наименьшее время размагничивания (около 100 фс) наблюдается для образца с пленкой галфенола 4 нм, а также FeGa(7nm)/Cu(5nm)/FeGa(4nm)/GaAs. для Такой многослойного образца результат может свидетельствовать о том, что граница раздела с арсенидом галлия оказывает существенное влияние не только на динамику намагниченности, но и на характерное время размагничивания. 40

0.4 0.3 FeGa/Cu/GaAs FeGa/Cu/FeGa/GaAs t1 (ps) 0.2 5nm 4 nm 0.1 0.4 50 nm 100 nm 10 nm 20 nm 0.3 0.2 0.1 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 Fluence (mJ/cm2) Рисунок 26 - Зависимость времени τ1 размагничивания от плотности энергии в импульсе накачки Для времени частичного восстановления τ2 намагниченности получены следующие зависимости, представленные на Рисунке 27. 41

2.0 1.5 5nm t2 (ps) 1.0 0.5 FeGa/Cu/GaAs FeGa/Cu/FeGa/GaAs 0.0 2.0 1.5 1.0 10nm 20 nm 0.5 50 nm 100 nm 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 Fluence (mJ/cm2) Рисунок 27 - Зависимость времени частичного восстановления намагниченности τ2 от плотности энергии в импульсе накачки На Рисунке 28 показаны зависимости численного параметра A2, соответствующего степени частичного восстановления намагниченности. 42

15 10 5nm A2 (%) 5 FeGa/Cu/FeGa/GaAs FeGa/Cu/GaAs 0 15 10 5 10nm 20 nm 50 nm 100 nm 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 Fluence (mJ/cm2) Рисунок 28 - Зависимость параметра А2, соответствующего степени частичного восстановления намагниченности от плотности энергии в импульсе накачки По представленным на Рисунках 27 и 28 данным можно сказать, что параметры, соответствующие восстановлению намагниченности, а именно время τ2 и параметр А2 для всех образцов, кроме имеющих наибольшую толщину слоя FeGa (50 и 100 нм), увеличиваются энергии в импульсе накачки, что аналогично с ростом плотности поведению Степени размагничивания A1, и можно предположить, что они определяются в том числе данным параметром. 43

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОГО РАЗМАГНИЧИВАНИЯ 4.1 Микроскопическая трех-температурная модель Для моделирования использовалась лазерно-индуцированного микроскопическая размагничивания трех-температурная модель (M3TM-модель). На Рисунке 29 схематично представлено взаимодействие между тремя подсистемами 3d металла. Рисунок 29 - М3ТМ-модель: взаимодействие между электронной, решеточной и спиновой подсистемами и характерные времена взаимодействия в 3d металле. Рисунок взят из работы [7] При воздействии лазерным импульсом реакция магнитного материала может быть описана [7] системой уравнений: 𝐶𝑒 [𝑇𝑒 ] 𝑑𝑇𝑒 𝑑𝑡 = ∇z (𝜅∇z 𝑇𝑒 ) + 𝑔𝑒𝑝 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑒 ) 𝐶𝑝 𝑑𝑚 { 𝑑𝑡 𝑑𝑇𝑝 𝑑𝑡 = 𝑅𝑚 𝑇𝑝 𝑇𝐶 = 𝑔𝑒𝑝 (𝑇𝑒 −𝑇𝑝 ) , 𝑚𝑇𝐶 (1 − 𝑚 𝑐𝑜𝑡ℎ ( 44 𝑇𝑒 )) (6)

где 𝑇𝑒 и 𝑇𝑝 - температуры электронов и решетки соответственно; 𝐶𝑒 [𝑇𝑒 ] - теплоемкость электронов, зависящая от температуры как: 𝐶𝑒 = 𝐴𝑒 𝑇𝑒 , Ae – числовой температурный коэффициент, зависящий от материала; 𝐶𝑝 − теплоемкость решетки; 𝑔𝑒𝑝 – константа электрон-фононного взаимодействия; 𝑚 – зависящая от времени намагниченность, нормированная на намагниченность в равновесном состоянии. Эта величина связана с со степенью размагничивания, получаемой в эксперименте, как 1 − Δ𝑀s 𝑀s ; R – размерный параметр скорости размагничивания, зависящий от материала и определяемый соотношением (7); 𝑇𝐶 − температура Кюри. 𝑅∝ 𝑎𝑠𝑓 𝑇𝐶2 𝜇𝑎𝑡 , (7) где 𝑎𝑠𝑓 – вероятность электрон-фононного рассеяния с переворотом спина; 𝜇𝑎𝑡 − атомный магнитный момент. ∇z (𝜅∇z 𝑇𝑒 ) – член, учитывающий пространественный и временной профиль изменений температуры электронной подсистемы, индуцированных воздейсвтием лазерного импульса. Уравнения (6) описывают динамику температур электронной и решеточной подсистем материала, а также относительной намагниченности. В качестве микроскопического механизма размагничивания в данной модели рассматривается рассеяние электронов на фононах с переворотом спина, эффективность которого учитывается в макроскопическом параметре R 45

Для расчета процесса размагничивания необходимо учесть поглощенную мощность импульса накачки. При расчетах мы пренебрегли зависимостью поглощенной мощности от координаты z, перпендикулярной плоскости пленки. Тогда систему уравнений (6) можно переписать следующим образом: 𝐶𝑒 [𝑇𝑒 ] 𝑑𝑇𝑒 𝐶𝑝 𝑑𝑚 { 𝑑𝑡 = 𝑔𝑒𝑝 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑒 ) + 𝑃𝑎 (𝑡) 𝑑𝑡 𝑑𝑇𝑝 𝑑𝑡 = 𝑅𝑚 𝑇𝑝 𝑇𝐶 = 𝑔𝑒𝑝 (𝑇𝑒 −𝑇𝑝 ) (1 − 𝑚 𝑐𝑜𝑡ℎ ( , 𝑚𝑇𝐶 𝑇𝑒 (8) )) где Pa(t) – плотность поглощенной мощности лазерного импульса накачки. Для оценки плотности поглощенной энергии в пленках галфенола были выполнены расчеты доли прошедшего излучения через покрывающий слой. Для этого был использован следующий подход: 1. Был рассчитан коэффициент прохождения 𝑇1 = 𝑡1 𝑡1∗ для границы раздела воздух/покрывающий слой: 𝑡1 = 2 1+𝑛cap , (9) где 𝑛cap – комплексный показатель преломления для покрывающего слоя. Для покрывающих слоев Al и Cr 𝑛cap = 1.4 + 9.85i и 𝑛cap = 3.49 + 3.57i, соответственно [19; 20] 2. Было рассчитано ослабление излучения в покрывающем слое как 𝐴cap = 𝑒 −𝛼cap 𝑙cap , 46 (10)

где 𝛼cap - коэффициент поглощения материала покрывающего слоя, 𝑙cap - толщина слоя. Для Al и Cr коэффициенты поглощения 𝛼cap = 1.2021 ∙ 108 и 𝛼cap = 4.3609 ∙ 107 м-1, соответственно. 3. Был рассчитан коэффициент прохождения 𝑇2 = 𝑡2 𝑡2∗ через границу покрывающий слой/пленка: 𝑡2 = 2𝑛cap 𝑛cap +𝑛FeGa , (11) где 𝑛FeGa – комплексный показатель преломления галфенола. Он был принят равным показателю преломления железа 𝑛FeGa ≈ 𝑛Fe = 2.94 + 3.9𝑖 [20]. Так как толщина покрывающего слоя существенно меньше длины волны, эффекты интерференции света не рассматривались. Результирующий коэффициент прохождения через покрывающий слой был найден как 𝑇 = 𝑇1 𝐴cap 𝑇2 . Для случая покрывающего слоя Al (3 нм) и Cr (2.5 нм) были получены коэффициенты прохождения 𝑇 = 0.05 и 𝑇 = 0.11, соотвественно. Плотность поглощенной энергии в пленке галфенола рассчитывалась как: 𝑃 = 𝑇𝐹𝛼FeGa (1 − 𝑒 −1 ), (12) для случаев, когда толщина пленки галфенола превышала глубину проникновения света 1/𝛼FeGa , и как 𝑃 = 𝑇𝐹 (1−𝑒 −𝛼FeGa 𝑙FeGa ) 𝑙FeGa 47 , (13)

для более тонких пленок [21]. Здесь F – поверхностная плотность знергии в импульсе. Коэффициент поглощения галфенола был принят равным коэффициенту поглощения железа: 𝛼FeGa ≈ 𝛼Fe = 4.8149 ∙ 108 м-1. Тогда плотность поглощенной мощности лазерного импульса накачки Pa(t) может быть рассчитана по формуле: 𝑃𝑎 (𝑡) = −𝑡2 𝑃∙𝑒 2𝜎2 𝜎√2𝜋 . (14) Численные значения параметров в уравнениях (6) и (8) следующие: 𝐴𝑒 = 672 Дж м−3 К−2 𝐶𝑝 = 3.8 ∙ 106 Дж м−3 К−1 𝑔𝑒𝑝 = 8 ∙ 1017 Вт м−3 К−1 Данные взяты из работы [22]. Температура Кюри для галфенола 𝑇𝐶 = 993 𝐾 [23]. Начальная температура электронов и решетки принимается равной 300 К. Параметр R не представляется возможным рассчитать точно, он может варьироваться и быть оценен по экспериментальным данным. Значение данного параметра было оценено как 𝑅 ≅ 2 пс−1 . Порядок величины соответствует оценкам, представленным в работе [7] для переходных металлов. 4.2 Сопоставление с экспериментальными результатами В результате численного решения уравнений (8) с использованием программного пакета Matlab, для пленок галфенола с толщинами 5, 10, 20, 48

50 и 100 нм были получены кривые размагничивания. Результаты сопоставления с экспериментальными данными представлены на Рисунках 30-34. Точками обозначены экспериментальные данные, а сплошными линиями результаты расчета. Из Рисунков 30-34 видно, что данные расчета находятся в разумном количественном согласии с экспериментом, а также качественно отражают характер динамики намагниченности для образцов с толщинами слоя FeGa 5, 10, 20, 50 и 100 нм. А именно, и в расчетах и в экспериментах наблюдается размагничивание с последующим частичным восстановлением намагниченности. Характерные времена этих процессов в эксперименте и в расчетах совпадают по порядку величины. Имеющиеся количественные расхождения, в первую очередь, могут быть связаны с необходимостью более точного подбора величины параметра R, входящего в уравнение (8) и определяющего как характерные времена, так и степень размагничивания, погрешностью в оценке поглощенной мощности в эксперименте, такими как неравномерность засветки образца, инструментальные погрешности измерений. Также, влияние на точность расчетов может оказать не точное соответствие реальной и номинальной толщины покрывающего слоя в различных образцах.. 49

Рисунок 30 – Сопоставление экспериментальных и расчетных кривых размагничивания для пленки FeGa толщиной 5 нм при двух различных плотностях энергии в импульсе накачки: 4 и 14 мДж/см2 Рисунок 31 - Сопоставление экспериментальных и расчетных кривых размагничивания для пленки FeGa толщиной 10 нм при двух различных плотностях энергии в импульсе накачки: 4 и 14 мДж/см2 50

Рисунок 32 Сопоставление экспериментальных и расчетных кривых размагничивания для пленки FeGa толщиной 20 нм при двух различных плотностях энергии в импульсе накачки: 4 и 14 мДж/см2 Рисунок 33 – Сопоставление экспериментальных и расчетных кривых размагничивания для пленки FeGa толщиной 50 нм при двух различных плотностях энергии в импульсе накачки: 4 и 14 мДж/см2 51

Рисунок 34 – Сопоставление экспериментальных и расчетных кривых размагничивания для пленки FeGa толщиной 100 нм при двух различных плотностях энергии в импульсе накачки: 4 и 14 мДж/см2 Также можно заметить, что количественные расхождения экспериментальных данных и результатов расчета более выражены для пленок с толщиной 20 нм и более (Рисунки 32-34). Это может свидетельствовать о том, что в расчетах для более толстых пленок существенным становится учет профиля поглощения энергии лазерного импульса и процессов переноса энергии на врмеенах, сравнимых с временами размагичивания. 4.3 Особенности динамики размагничивания для структур, в которых присутствует граница раздела с GaAs Как уже отмечалось в Разделе 3 настоящей работы, экспериментально полученная динамика намагниченности и параметры размагничивания для 52

пленок галфенола толщиной 4 нм (см. Рисунки 11 и 19), а также для многослойной структуры FeGa(7nm)/Cu(5nm)/FeGa(4nm)/GaAs, имеют особенности, которые могут объясняться наличием границы раздела FeGa/GaAs. Предположение основано на том, что в работе [11] было показано, что такая граница раздела оказывает существенное влияние на равновесную динамику намагниченности. На Рисунке 35 изображены кривые размагничивания, полученные из расчетов на основе M3TM-модели для аналогичного диапазона плотностей энергии в импульсе накачки для пленки толщиной 4 нм. Из сравнения Рисунков 11 и 35 можно увидеть, что характер экспериментально полученной динамики намагниченности имеет существенные отличия от расчетной. Так, в отличие от двухэтапного размагничивания, наблюдаемого в эксперименте, в рассчитанных данных мы видим начало процесса восстановления намагниченности на временах около 1 пс, в то время как в эксперименте такое восстановление происходит начиная со времен более 10 пс (см. Рисунок 19). 53

Рисунок 35 – Рассчитанные по M3TM-модели кривые размагничивания для пленки FeGa(4нм)/GaAs при плотностях энергии в импульсе накачки от 2 до 14 мДж/см2 Чтобы сверхбыстрого оценить возможность размагничивания изменения мы размагничивания для пленки толщиной характера произвели расчет процесса кривых 4 нм по M3TM-модели для плотностей энергии в импульсе накачки, значительно превышающих используемые в эксперименте. Как видно из результатов, представленных на Рисунке 36, при дальнейшем увеличении плотности энергии в лазерном импульсе действительно происходит постепенный переход от одного типа динамики (быстрое размагничивание и восстановление намагниченности) к другому (двухэтапное размагничивание) Как видно из Рисунка 36, согласно М3ТМ-модели, при воздействии лазерным импульсом накачки с большой плотностью энергии, можно получить переход к качественно иной динамике намагниченности. Однако, 54

использование в эксперименте таких плотностей энергии в импульсе невозможно из-за большой вероятности повреждения образца. Рисунок 36 – Расчет кривых размагничивания для пленки FeGa толщиной 4 нм в диапазоне плотностей энергии в импульсе накачки от 2 до 122 мДж/см2 Из приведенных данных можно сделать вывод о том, что качественное согласие с экспериментом наблюдается в пленках галфенола толщиной 5 и более нм. В то же время, М3ТМ-модель не выявляет резкого перехода к динамике намагниченности, наблюдаемой в пленке 4 нм. Следовательно, можно сделать предположение, что в тонких пленках галфенола на подложках GaAs есть дополнительные факторы, оказывающие влияние на время, степень и характер динамики намагниченности, но не учитываемых в M3TM-модели.. Такими факторами могут быть, в том числе, спинорбитальное взаимодействие на границе раздела с GaAs, отличное от объемного, которое может привести к изменениею макросокпического параметра R в уравнении (8). Кроме того, вклад в размагничивание может давать супердиффузионный транспорт 55 поляризованных по спину

электронов [8]. Можно ожидать, что такие факторы должны проявляться именно в полеках малой толщины, в которых эффектами на границах раздела нельзя пренебрегать. 56

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основной целью данной работы являлся поиск способов управления лазерно-индуцированным сверхбыстрым размагничиванием в тонких пленках ферромагнитного металла. В соответствии с этим мною в ходе исследования были решены следующие основные задачи: 1) Экспериментальное исследование сверхбыстрого размагничивания в тонких пленках ферромагнитного металла галфенола Fe0.81Ga0.19 (FeGa). 2) Установление факторов, влияющих на динамику и величину размагничивания, таких как толщина пленки и граница раздела с другими материалами. 3) Моделирование лазерно-индуцированного размагничивания с использованием микроскопической трех-температурной (M3TM) модели и сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными. Согласно поставленным задачам в работе были получены следующие основные результаты: 1) Экспериментально получены кривые размагничивания в тонких пленках галфенола на подложке GaAs c толщиной слоя FeGa 4, 5, 10, 20, 50 и 100 нм, а также в многослойных образцах FeGa(7 нм)/Cu(5 нм)/GaAs и FeGa(7 нм)/Cu(5 нм)/FeGa(4 нм)/GaAs. Выявлено существенное отличие характера динамики сверхбыстрого размагничивания в пленке 4 нм от пленок с большей толщиной и многослойных образцов. 2) Обнаружено влияние толщины пленки на степень сверхбыстрого размагничивания, показано, что при увеличении толщины степень размагничивания уменьшается для фиксированной плотности энергии в лазерном импульсе. 57

3) Границы раздела FeGa с Cu и GaAs оказывают влияние на величину и время размагничивания, граница раздела с GaAs также оказывает существенное влияние на характер размагничивания. 4) При сопоставлении результатов расчетов по М3ТМ-модели выявлено качественное соответствие экспериментальных и расчетных кривых временных зависимостей сверхбыстрого размагничивания для пленок FeGa толщиной 5 нм и более. 5) Теоретическая модель не выявляет изменения характера сверхбыстрого размагничивания при уменьшении толщины пленки до 4 нм, наблюдаемого в эксперименте. Мы предполагаем, что такое несоответствие указывает на то, что в пленке с малой толщиной существенное влияние на размагничивание оказывают такие факторы, как спин-орбитальное взаимодействие на границе раздела с GaAs, отличное от объемного, и супердиффузионный транспорт, которые не включены в M3TM-модель. В заключение можно сказать, что результаты, полученные в данной работе, позволяют расширить имеющиеся научные данные об особенностях взаимодействия ферромагнитных металлов с фемтосекундными лазерными импульсами, в том числе о динамике сверхбыстрого лазерно- индуцированного размагничивания и факторах, влияющих на его характер. Эти сведения гетероструктур открывают со перспективу свойствами, для разработки оптимизированными для магнитных получения различных типов отклика намагниченности таких структур на оптическое возбуждение. Создание таких новых структур будет восстербовано при разработке, например, усовершенствованных и новых элементов памяти и обработки информации для информационные технологий. 58

БЛАГОДАРНОСТИ Выражаю благодарность за помощь в выполнении данной работы: 1) Ведущему научному сотруднику Университета ИТМО, заведующей лабораторией Физики ферроиков ФТИ им. А.Ф. Иоффе А.М. Калашниковой за научное руководство. 2) Профессору Университета Ноттингема A.W. Rushforth за предоставленные образцы. 3) Сотрудникам лаборатории Физики ферроиков ФТИ им. А.Ф. Иоффе: Я.А. Могунову, Л.А. Шелухину и П.И. Геревенкову за помощь в проведении экспериментов, обсуждение результатов и ценные рекомендации. 4) Российскому фонду фундаментальных исследований (Грант РФФИ 20-32-70149). 59

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Kirilyuk A., Kimel A. V., Rasing T. Ultrafast optical manipulation of magnetic order. // Rev. Mod. Phys. 2010. Vol. 82, No. 3. P. 2731–2784. 2. Калашникова А. М., Кимель А. В, Писарев Р. В. Сверхбыстрый оптомагнетизм. // УФН. 2015. № 185, С. 1064–1076. 3. Beaurepaire E. et al. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel. // Phys Rev Lett.1996. Vol. 76, No. 22, P. 4250–4253. 4. Stanciu C. D. et al. All-Optical Magnetic Recording with Circularly Polarized Light. // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99, No. 4, P. 047601. 5. van Kampen M. et al. All-Optical Probe of Coherent Spin Waves. // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88, No. 22. P. 227201. 6. Satoh T. et al. Directional control of spin-wave emission by spatially shaped light. // Nat. Photonics. Nature Publishing Group, 2012. Vol. 6, No. 10. P. 662– 666. 7. Koopmans B. et al. Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laserinduced demagnetization. // Nature Mater. 2010. Vol. 9, P. 259–265. 8. Battiato M., Carva K., and Oppeneer P. M. Superdiffusive Spin Transport as a Mechanism of Ultrafast Demagnetization. // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 105, No. 2, P. 027203. 9. Ostler T.A. et al. Ultrafast heating as a sufficient stimulus for magnetization reversal in a ferrimagnet. // Nature Commun. 2012. Vol. 3, No. 666, P. 1–6. 10. Liu T.-M. et al. Nanoscale Confinement of All-Optical Magnetic Switching in TbFeCo - Competition with Nanoscale Heterogeneity. // Nano Lett. 2015. Vol. 15, No. 10, P. 6862–6868. 11. Kimel A. V. & Li M. Writing magnetic memory with ultrashort light pulses. // Nature Rev. Mater. 2019. Vol. 4, P. 189–200. 12. Weller D. A HAMR Media Technology Roadmap to an Areal Density of 4 Tb/in. // IEEE Transactions on Magnetics. 2014. Vol. 50, No. 1, P. 3100108. 60

13. Mangin S. et al. Engineered materials for all-optical helicity-dependent magnetic switching.// Nature Mater. 2014. Vol. 13, P. 286–292. 14. L. Chen et al. Emergence of anisotropic Gilbert damping in ultrathin Fe layers on GaAs (001). // Nature Phys. 2018. Vol. 14, 490 – 494. 15. B. Koopmans et al. Unifying Ultrafast Magnetization Dynamics. // Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 95, No. 26, P. 267207. 16. Modern magnetooptics and magnetooptical materials / A. K. Zvezdin and V. A. Kotov. Bristol : Philadelphia : Institute of physics Publication, 1997 –386 p. 17. Bowe S. Magnetisation dynamics in magnetostrictive nanostructures. PhD Thesis.//The University of Nottingham – 2007 – 300 p. 18. Khokhlov N.E. et al. Optical Excitation of Propagating Magnetostatic Waves in an Epitaxial Galfenol Film by Ultrafast Magnetic Anisotropy Change // Phys. Rev. Appl. American Physical Society, 2019. Vol. 12, № 4. P. 044044. 19. Rakić A. D. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum. // Appl. Opt. 1995. Vol. 34, No. 22, P. 4755 – 4767. 20. Johnson P. B. and Christy R. W. Optical constants of transition metals: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Pd. // Phys. Rev. B. 1974. Vol. 9, No. 12, P. 5056 – 5070. 21. Walowski J. Physics of laser heated ferromagnets: Ultrafast demagnetization and magneto-Seebeck effect. Dissertation.// Georg-August-Universitat Gottingen. – 2012 – 140 p. 22. Kats V.N. et al. Ultrafast changes of magnetic anisotropy driven by laser generated coherent and noncoherent phonons in metallic films // Phys. Rev. B. 2016. Vol. 93, № 21. P. 214422. 23. Quinn C.J. The Fabrication and Analysis of the Magnetic and Crystallographic Properties of Fe-rich (FexGa1-x) Galfenol Alloys. PhD thesis. // University of Salford Greater Manchester United Kingdom–2012 – 252 p. 61

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

Рецензия от Дарья Кунту

Рецензент - Писарев Роман Васильевич, д.ф.-м.н., г.н.с. ФТИ им. А. Ф. Иоффе

больше 3 лет назад

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв

6315.12

Игорь Маслеников

и хорошего настроения

6315.12

Игорь Маслеников

удачи

6315.12

Игорь Маслеников

успехов в конкурсе

6315.12

Игорь Маслеников

Наверное было затрачено много времени и труда на работу

6315.12

Игорь Маслеников

Продолжай свое исследование

6315.12

Игорь Маслеников

Админам респект

6315.12

Игорь Маслеников

И продвижения статьи в топы?

6315.12

Игорь Маслеников

Как на счет взаимных комментариев под работами?)

6315.12

Игорь Маслеников

Красиво написанная работа

6315.12

Игорь Маслеников

Так держать

6315.12

Игорь Маслеников

Молодец

6315.12

Игорь Маслеников

Интересная работа!

Дарья Кунту

Работа была представлена на "Международной зимней школе по физике полупроводников ФТИ им. А.Ф. Иоффе - 2020" в Зеленогорске, г. Санкт-Петербург, и заняла III место в конкурсе "За лучший стендовый доклад на молодежной сессии". Тезисы доклада опубликованы в сборнике "Научные сообщения молодых ученых 2020": http://www.ioffe.ru/winter_school/handouts2020/ws20y.pdf