Пространственно-временное профилирование спиновых возбуждений в ферромагнитных наноструктурах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-12-10485

НазваниеПространственно-временное профилирование спиновых возбуждений в ферромагнитных наноструктурах

Руководитель Щербаков Алексей Валерьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-207 - Магнитные явления

Ключевые слова магнитные наноструктуры, магноника, фемтомагнетизм, сверхбыстрая магнитоакустика, спиновые волны, нанофотоника.

Код ГРНТИ29.19.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель проекта – разработка методов оптического управления коллективными спиновыми возбуждениями с заданными пространственно-временными характеристиками в магнитоупорядоченных средах. Предлагаемый подход основан на оптической генерации прецессии намагниченности с контролируемым пространственным распределением амплитуды и фазы за счет нанометрового профилирования структуры и/или параметров оптического возбуждения. В ходе выполнения проекта будет экспериментально продемонстрирована импульсная оптическая генерация осцилляций намагниченности тонких ферри- и ферромагнитных слоев с заданным спектральным составом, и реализован режим их локализации и/или распространения с нанометровым пространственным разрешением. Результаты проекта должны заложить фундаментальные основы для создания наноразмерных источников высокочастотных осциллирующих магнитных полей и компонентной базы логических устройств, принцип действия которых основан на использовании коллективных спиновых возбуждений для кодирования и передачи информации (магнонной спинтроники). В проекте предусмотрены два основных направления исследований. 1. Оптическая генерация пространственно-распределенной прецессии намагниченности в магнитострикционных пленках галфенола. В рамках настоящего направления мы будем исследовать сверхбыстрый магнитный и магнитомеханический отклик нанометровых пленок галфенола, металлического сплава железа и галлия с усиленными магнитострикционными свойствами, пространственно-структурированных с нанометровой периодичностью. Ожидается, что фемтосекундный оптический импульс возбуждает в такой пленке связанные магнитоупругие возбуждения, частота и пространственная локализация которых задается пространственным профилем структуры. В результате, мы нацелены на осуществление генерации осциллирующего с частотой 10^8 – 10^10 Гц высокоамплитудного (до 100 мТл) магнитного поля, локализация которого контролируется с нанометровым разрешением внешним магнитным полем. Такой результат позволит приступить к разработке устройств магнитной памяти со случайным доступом и резонансной магнитной томографии с нанометровым разрешением. 2) Селективное оптическое возбуждение суперпозиции магнитостатических спиновых волн в нанометровых пленках железоиттриевого граната. Мы планируем осуществить генерацию спиновых волн (магнонов) с заданными волновыми векторами, частотой, локализацией и их суперпозицию, за счет использования пространственно-распределенного оптического возбуждения ферримагнитных пленок гранатов со слабым затуханием магнитных и упругих возбуждений. Такое пространственное распределение будет достигнуто за счет субмикронной фокусировки лазерных пучков, их интерференционного взаимодействия, а также за счет двумерного распределения на поверхности пленки оптических антенн, обеспечивающих субволновую фокусировку электромагнитного излучения. Такой подход позволит в дальнейшем реализовать полностью оптическое управление пространственно-временной эволюцией коллективных спиновых возбуждений в магнитоупорядоченных наноструктурах. Оба подхода являются совершенно новыми. Насколько нам известно, оптическая генерация гигагерцового высокоамплитудного переменного магнитного поля в нанометровом масштабе за счет взаимодействия магнитных и локализованных упругих возбуждений не была предложена или апробирована, несмотря на огромный потенциал такого подхода для пространственно-распределенной адресации в устройствах магнитной памяти и магнитной визуализации (томографии) с нанометровым разрешением. Контроль возбуждения и распространения спиновых волн через пространственное профилирование импульсного оптического возбуждения – также новая и неисследованная идея. Для реализации предложенных подходов мы объединяем в одном исследовании самые современные экспериментальные методы, доступные в нашей лаборатории, с последними достижениями в материаловедении и новейшими технологическими методиками, которые доступны нам за счет сотрудничества с другими научными группами и центрами. Мы будем использовать метод накачка-зондирование для детектирования с субпикосекундным временным разрешением отклика исследуемых структур на сверхбыстрое оптическое возбуждение. Экспериментальная техника, доступная участникам проекта, позволяет реализовать двухцветную схему измерений с лазерными импульсами различных длин волн, настраивать параметры оптического возбуждения в широком диапазоне, а также реализовать субмикронное сканирование пространственного распределения как возбуждающего импульса, так и результирующего сигнала. Плёнки для запланированных исследований будут выращены методами магнетронного напыления и молекулярно-лучевой эпитаксии, в то время как методы ионной и электронной нанолитографии будут использованы для пространственного профилирования с нанометровым разрешением. В то же время, мы хотим использовать в предлагаемых концепциях фундаментальные физические эффекты, которые хорошо известны в настоящее время, и использовать их на субпикосекундном и субмикронном масштабах. Связь магнитных и упругих возбуждений, используемая нами в рамках первого направления - явление хорошо известное из классических исследований по магнитоакустике. Однако недавно было достигнуто понимание этого явления на пикосекундном временном диапазоне, что привело к возникновению нового направления – сверхбыстрой магнитоакустики. Фемтосекундное оптическое возбуждение спиновых волн в ферримагнитных гранатах, как и селективность возбуждения по волновому вектору в случае пространственно-периодического возбуждения, известны для таких областей, как сверхбыстрый оптомагнетизм и магноника, соответственно. Мы, однако, планируем объединить и расширить эти направления, используя для этой цели последние достижения фотоники, такие, например, как субволновые оптические антенны. Наша основная задача – сочетание в подходах нескольких «горячих» направлений физики твердого тела для достижения новых результатов. Предлагаемое исследование будет проводиться в Лаборатории физики ферроиков, основанной в ФТИ в 2013 году в рамках Мегагранта Правительства РФ (14.В25.31.0025 «Ферроики и гетероструктуры на их основе для функциональной электроники» 2013-2015). Лаборатория обладает всем необходимым оборудованием и отличается сочетанием в одном коллективе опытных всемирно-известных лидеров в рамках предлагаемых направлений и молодых амбициозных научных сотрудников. Исследования, заявленные в представляемом проекте, являются логичным продолжением работ, ведущихся в лаборатории, но выходят за рамки тематик, финансируемых из средств Мегагранта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Баранов П. Г. , Калашникова А. М. , Козуб В. И., Коренев В. Л., Кусраев Ю. Г. , Писарев Р. В., Сапега В. Ф., Акимов И. А., Байер М., Щербаков А. В., Яковлев Д. Р. Спинтроника полупроводниковых, металлических, диэлектрических и гибридных стурктур Успехи Физических наук (год публикации - 2018)
10.3367/UFNr.2018.11.038486

2. Данилов А. П., Щербаков А. В., Главин Б. А., Линник Т. Л., Калашникова А. М., Шелухин Л. А., Паттниак Д. П., Рушфорт А. У., Лав С. Дж., Кавилл С. А., Яковлев Д. А., Байер М. Optically excited spin pumping mediating collective magnetization dynamics in a spin valve structure Physical Review B, vol. 98, art. No. 060406(R) (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.98.060406

3. Щербаков А. В., Данилов А. П., Годейохан Ф., Линник Т. Л., Главин Б. А., Шелухин Л. А., Паттнаик Д. П., Ванг М., Рушфорт А. У., Яковлев Д. Р., Акимов А. В., Байер М. Optical excitation of single- and multi-mode magnetization precession in Galfenol nanolayers Physical Review Applied (год публикации - 2019)

4. Линник Т. Л., Кац В. Н., Йагер Я., Саласюк А. С., Яковлев Д. Р., Рашфор А. У., Акимов А. В., Калашникова А. М., Байер М., Щербаков А. В. Controlling magnetic anisotropy of a low symmetry metallic film by dynamical compressive and shear strain Physica Scripta (год публикации - 2017)

5. де Йонг Й. А., Калашникова А. М., Писарев Р. В., Балбашов А. М., Кимель А. В., Кирилюк А., Разинг Т. Effect of Laser Pulse Propagation on Ultrafast Magnetization Dynamics in a Birefringent Medium Journal of Physics: Condensed Matter (год публикации - 2017)

6. Саласюк А.С., Рудковская А.В., Данилов А.П., Главин Б.А., Кухтарук С.М., Ванг М., Рушфорт Э.В., Неклюдова П.А., Соколов С.В., Елистратов А.А., Яковлев Д.Р., Байер М., Акимов А.В., Щербаков А.В. Generation of a localized microwave magnetic field by coherent phonons in a ferromagnetic nanograting на рассмотрении в Physical Review Letters (год публикации - 2017)

7. Шелухин Л. А., Павлов В. В., Усачев П. А., Шамрай П. Ю., Писарев Р. В., Калашникова А. М. Ultrafast laser-induced changes of the magnetic anisotropy in a low-symmetry iron garnet film на рассмотрении в Physical Review B (год публикации - 2018)

Публикации