Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Магнитные полупроводники EuX (X = O, S, Se и Te) привлекают большое внимание исследователей благодаря их уникальным физическим свойствам. Например, в нескольких работах было показано, что полупроводники EuX являются интересными материалами для исследований в области сверхбыстрой оптической манипуляции и управления магнитным состоянием вещества - оптомагнетизма [1-3]. Различные физические свойства данных материалов, такие как электронный транспорт, магнитное состояние, магнитооптические свойства определяются сильно локализованными 4f^7-электронами ионов Eu^2+ со спином S = 7/2 [4-6]. Использование оптических методов управления магнитным состоянием вещества представляет интерес как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения, поскольку позволяет получить ценную информацию о возможных механизмах возбуждения и релаксации спиновых состояний, а также является важным при создании новых устройств спинтроники и оптоэлектроники [7]. С помощью двухцветного метода оптической накачки и зондирования с использованием непрерывных лазеров [8] (световое возбуждение и измерение фотоиндуцированного эффекта Фарадея происходит на разных длинах волн) продемонстрировано, что в EuTe при низкой температуре 5 K свет генерирует магнитные поляроны с большим магнитным моментом, более 600 µБ. Речь идет о спиновых (магнитных) поляронах с величиной магнитного момента, на порядок большего, чем в разбавленных магнитных полупроводниках, таких как (Cd,Mn)Te и (Ga,Mn)As. Из-за гигантского магнитного момента полярона сравнительно небольшое магнитное поле порядка нескольких десятков мТ приводит к полному выстраиванию момента поляронов. Для того, чтобы определить насколько эффективно свет намагничивает среду, проведено исследование фотоиндуцированных магнитных поляронов в нескольких халькогенидах европия EuTe, EuSe и EuO как функция интенсивности света, магнитного поля и температуры. На примере электронной структуры EuTe вблизи края запрещённой зоны получено простое выражение для постоянной Верде в этом материале. Хотя в материалах с нулевой спонтанной намагниченностью многие авторы определяют постоянную Верде как коэффициент пропорциональности между удельным фарадеевским вращением и приложенным внешним магнитным полем, реальным источником фарадеевского вращения является намагниченность материала, а не магнитное поле само по себе. Мы используем именно это, более физичное определение постоянной Верде, устанавливающей прямую связь между удельным фарадеевским вращением и намагниченностью [9]. Таким образом, продемонстрирован новый подход к оптическому управлению и мониторингу магнитными состояниями в халькогенидах европия EuX (X= O, S, Te). С помощью двухцветного метода оптической накачки и зондирования с использованием непрерывных лазеров установлены основные параметры фотоиндуцированных магнитных поляронов с большим магнитным моментом. Данный метод исследования может быть использован для изучения фотоиндуцированных спиновых состояний в различных классах полупроводниковых материалов и гибридных структур ферромагнетик-полупроводник. Работа "Гигантские фотоиндуцированные магнитные поляроны в халькогенидах европия" в декабре 2017 г. была представлена на заседании секции “Магнетизм” Научного совета РАН по физике конденсированных сред и вошла в лучшие достижения секции в 2017. Для выяснения природы сверхбыстрых электронно-спиновых возбуждений в EuTe проведены исследования по методу оптической накачки и зондирования с использованием импульсного фемтосекундного лазера. Данная методика использована для выяснения природы сверхбыстрых возбуждений и релаксации в вблизи края запрещенной зоны. Эксперименты по сверхбыстрым электронно-спиновым возбуждениям в EuTe проводились в геометрии на прохождение с использованием оптического параметрического генератора с накачкой от титан-сапфирового лазера, генерирующего 1 пс импульсы света на частоте 80 МГц и энергией фотона 2.19 эВ. Данная энергия несколько меньше по величине, чем энергия запрещенной зоны в EuTe ~2.4 эВ при низкой температуре при нулевом магнитном поле. Для данного эксперимента тонкие пленки EuTe были приготовлены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на (111)-ориентированной подложке BaF2 толщиной 1 мм и покрыты защитным слоем из того же материала толщиной 40 нм, Высокое качество приготовленных образцов подтверждено методом рентгеноструктурного анализа. Во внешнем магнитном поле, приложенном в геометрии Фогта, в геометрии на пропускание в EuTe наблюдался сильный оптический отклик. Наблюдаемые сигналы в области перекрытия возбуждающего и зондирующего импульсов можно отнести к оптической нелинейности третьего порядка, отвечающей за наблюдаемый сверхбыстрый обратной Эффект Фарадея и явление оптической ориентации, описывающей последующую релаксацию возбужденных электронно-спиновых состояний при оптическом электродипольном переходе 4f^7_5d^0 → 4f^6_5d^1 в EuTe. Показано, что релаксация спиновых состояний на дефектных уровнях в запрещенной зоне происходит за время 19 пс в магнитном поле 6 Т. Данное время соответствует времени образования магнитного полярона в EuTe. Приложение внешнего магнитного поля диапазоне 0-6.5 Т может управлять переключением от режима, обусловленного обратным эффектом Фарадея, к смешанному режиму, в котором наблюдается как обратный эффект Фарадея, так и явление оптической ориентации в магнитном полупроводнике EuTe. Можно отметить, что такой перекрёстный механизм может также наблюдаться и в других классах собственных и разбавленных магнитных полупроводников, в которых величина запрещенной зоны зависит от магнитного поля. В настоящее время интенсивно исследуются магнитные свойства тонких полупроводниковых пленок, легированных различными 3d примесями с целью достижения максимальной температуры Кюри, а также создания на их основе новых устройств спинтроники [10]. Основной проблемой для практического использования данных материалов является достижение температуры Кюри для магнитного перехода парамагнетик- ферромагнетик при температуре выше комнатной. Проведено исследование магнитных и магнитооптических параметров пленок ZnO:Fe^57 при температуре Т = 300 К с помощью магнитооптического эффекта Керра. Данные измерения являются важной основой для наблюдения фотоиндуцированных спиновых явлений в наноструктурных материалах. Пленки ZnO были получены методом высокочастотного магнетронного распыления при варьировании параметров осаждения – высокочастотной мощности, скорости роста и температуры подложки для реализации различных концентраций введенной легирующей 3d примеси Fe^57 [11]. Для определения типа магнитной анизотропии пленок ZnO:Fe^57 при комнатной температуре использовался магнитооптический эффект Керра. По данному методу определены кривые намагничивания пленок ZnO:Fe^57, измеренные с использованием полярного и меридионального эффектов Керра. На основании этих данных можно сделать вывод, что все исследованные пленки ZnO:Fe^57 обладают магнитной анизотропией типа легкая плоскость с намагниченностью, лежащей в плоскости пленки. Получены спектральные зависимости магнитооптического эффекта Керра для образцов ZnO:Fe^57 в полярной геометрии в магнитном поле величиной 0.2 Т. В плёнках ZnO:Fe^57 с большей концентрацией примесных атомов Fe^57 в магнитоупорядоченном состоянии наблюдаются большие значения угла поворота плоскости поляризации. Также имеет место корреляция между изменениями локального окружения Fe^57 и величинами наведенной эллиптичности при изменении энергии фотонов. Интеграция магнитных диэлектриков - ферритов с полупроводниковыми материалами может обеспечить новые возможности для СВЧ-устройств в высокоскоростной беспроводной связи, для активных фазированных антенных решеток космической электроники для спутниковой навигации и т.д. При этом также могут быть достигнуты существенные преимущества в миниатюризации, полосе пропускания, скорости и селективности радиоприема и конечной стоимости СВЧ-устройств [12]. Дополнительно, использование светового воздействия для гетероструктур типа ферромагнетик-полупроводник может дать новую степень свободы для управления физическими параметрами таких структур. Установлено, что вклад процессов релаксации в ширину линии ферромагнитного резонанса (ФМР) составляет около 2%. В то же время, ширины линий ФМР исследованных образцов имеют большие величины, что может быть объяснено тем, что напыленные пленки Y3Fe5O12 имеют магнитную неоднородность, дающую основной вклад в ширину линии. Предполагается, что что увеличение ширины линии ФМР обусловлено магнитной неоднородностью пленок Y3Fe5O12. На частоте ФМР достигается существенное взаимодействие между спиновыми возбуждениями и электрическим током, протекающим через канал 2DEG на интерфейсе AlOx / GaAs. Световое воздействие приводит к существенным изменениям в спектре ФМР. Выше порога спин-волновой нестабильности происходит увеличение проводимости канала (изменение S21-параметра) за счет светового облучения. Взаимодействие между спиновыми возбуждениями пленки Y3Fe5O12 и тока 2DEG канала увеличивается с ростом интенсивности света и СВЧ мощности. Наблюдаемое взаимодействие имеет важное значение для контроля и управления спиновыми степенями свободы в полевых транзисторных структурах на частотах СВЧ диапазона. Литература [1] T. Makino, F. Liu, T. Yamasaki, Y. Kozuka, K. Ueno, A. Tsukazaki, T. Fukumura, Y. Kong, M. Kawasaki, Phys. Rev. B 86 (2012) 064403. [2] M. Matsubara, A. Schroer, A. Schmehl, A. Melville, C. Becher, M. Trujillo-Martinez, D.G. Schlom, J. Mannhart, J. Kroha, M. Fiebig, Nature Comm. 6 (2015) 6724. [3] R.R. Subkhangulov, A.B. Henriques, P.H.O. Rappl, E. Abramof, T. Rasing, A.V. Kimel, Sci. Rep. 4 (2013) 4368. [4] P. Wachter, Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, eds. K.A. Gschneider and L.R. Eyring, North-Holland, Amsterdam, 1979. [5] G. Güntherodt, Phys. Condens. Matter 18 (1974) 37. [6] E.L. Nagaev, Physics of Magnetic Semiconductors, Mir, Moscow, 1983. [7] A. Kirilyuk, A.V. Kimel, T. Rasing, Rev. Mod. Phys. 82 (2010) 2731. [8] A. B. Henriques, A. R. Naupa, P. A. Usachev, V. V. Pavlov, P. H. O. Rappl, E. Abramof, Phys. Rev. B 95 (2017) 045205. [9] A. B. Henriques, P. A. Usachev, Phys. Rev. B 96 (2017) 195210. [10] Concepts in spin electronics, ed. S. Maekawa, Oxford. Univ. Press, New York, 2006. [11] М. М. Мездрогина, В. Г. Семенов, Ю. В. Кожанова, С. Г. Нефедов, Л. А. Шелухин, В. В. Павлов, ФТТ (2018). [12] Z. Chen and V.G. Harris, J. Appl. Phys. 112, (2012) 081101.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Одно из направлений современного магнетизма - поиск и исследование материалов, представляющих интерес для устройств спинтроники или спиновой электроники [1,2]. Халькогениды европия EuX (X = O, S, Se, Te) имеют достаточно большой практический потенциал для создания систем спиновой электроники и оптоэлектроники [3]. Проведено исследование фотоиндуцированного эффекта Фарадея в EuSe методом оптической накачки и зондирования. Установлено, что при накачке непрерывным лазером или широкополосным источником света в EuSe возбуждаются спиновые поляроны с большим магнитным моментом 6000 магнетонов Бора и характерным временем жизни 1.6 мкс. Теоретический расчёт хорошо описывает наблюдаемые в эксперименте зависимости. В отличие от EuTe, в EuSe не происходит насыщения концентрации поляронов с увеличением интенсивности возбуждающего света и, таким образом, EuSe может быть полностью переведён в поляризованное ферромагнитное состояние путём возбуждения собственных спиновых поляронов. Антиферромагнитная спинтроника является аквтивно развиваемым направлением физики магнетизма, являющимся важным как для фундаментальных исследований, так и возможных практических применений [4-6]. Cпиновые манипуляции в антиферромагнетиках по своей природе являются более быстрыми, чем в ферромагнетиках, Это может быть востребованным для создания сверхбыстрых устройств обработки и хранения информации на основе антиферромагнетиков. В работе проведено исследование кубических магнитных диэлектриков CoO, NiO, KNiF3, обладающих хорошо разрешаемой структурой узких линий в спектрах электронных переходов на краю зоны фундаментального поглощения. Проведён феноменологический анализ возможных фотоиндуцированных вкладов, в том числе когерентных, проведены расчеты дисперсионных и полевых зависимостей ветвей антиферромагнитного резонанса. Оптоэлектронные устройства с магнитным управлением могут быть перспективными для интегральных решений спинтроники. Хорошими кандидатами для этих приложений являются гетероструктуры, состоящие из наночастиц ферромагнитного металла в диэлектрической матрице. Так, например, в структурах обнаружен индуцированный магнитным полем эффект усиления фототока [7]. На данном этапе проекта проведено исследование влияния оптического возбуждения на эффект гигантского магнитосопротивления в гетероструктурах SiO2(Co)/GaAs. Обнаружен сверхбыстрый процесс возбуждения и более медленный процесс релаксации в данных гетероструктурах. Установлено, что временная вариация тока связана с электронным заполнением обменно-расщеплённых уровней в области интерфейса SiO2(Co)/GaAs и характеризуется временем нарастания 20 нс и временем релаксации 1-3.5 мкс. Интеграция ферритов с полупроводниками дает множество преимуществ и новых возможностей в микроволновых приложениях, таких как высокоскоростная беспроводная связь, автоматические радары, астрономические системы, антенны с активной фазированной решеткой, космическая электроника и спутниковая навигация [8]. В работе описан синтез плёнок железо-иттриевого граната (YIG), приготовленных на подложках AlOx / GaAs, опредены их магнитные свойства, исследовано распространение спиновых волн и влияние спиновых возбуждений на интерфейсе плёнка YIG - подложка, где формируется двумерный электронный газ (2DEG). Выявлено сильное взаимодействие между спиновыми возбуждениями и током электронов, протекающих через канал с 2DEG, это приводит к существенному изменению условий ферромагнитного резонанса в YIG плёнке. Сохранение момента импульса является одним из важнейших законов фундаментальных законов физики, которая играет важную роль в различных процессах, в том числе в сверхбыстрых магнитных явлениях [9]. Проведено исследование сверхбыстрой спиновой динамики в магнитном полупроводнике EuTe с использованием метода оптической накачки и зондирования с высоким временным разрешением. Экспериментально показано, что внешнее магнитное поле (величиной несколько Тесла) приводит к процессу переключения в данном материале от обратного эффекта Фарадея к явлению оптической ориентации на фемтосекундной шкале времени. Предложена теоретическая модель, которая включает в себя оба этих процесса и учитывает их спектральные и временные свойства. Многослойные структуры с толщинами слоев в нанометровом диапазоне представляют собой новый тип материалов, обладающих рядом уникальных физических свойств [10]. Методом оптической эллипсометрии измерена комплексная диэлектрическая проницаемость металл-диэлектрических многослойных структур [Co/TiO2]n/Si с толщинами слоёв 2-4 nm в спектральном диапазоне 0.6-5.6 eV. С помощью оптических матриц отражения для изотропных многослойных диэлектрических структур с учётом оптических потерь, а также методом анизотропной эффективной среды проведён анализ комплексной диэлектрической проницаемости этих структур. Методом прецизионной поляриметрии измерен магнитооптический эффект Керра в спектральном диапазоне 1.2-4.5 eV в полярной и меридиональной геометриях. Определён тип магнитной анизотропии структур [Co/TiO2]n/Si с помощью измерения полевых зависимостей магнитооптического эффекта Керра. Фотоиндуцированное сверхбыстрое перемагничивание в магнитоупорядоченных материалах стало горячей темой в современной физике магнетизма в последнее десятилетие [11, 12]. Это сложная фундаментальная проблема в силу того, что во время фотостимулированного изменения ориентации намагниченности участвуют несколько различных физических явлений. Такими явлениями являются - передача энергии и момента импульса в магнитную среду, кинетика сверхбыстрого размагничивания, обмен энергией между электронными, спиновыми и решёточными системами и связанный с ними процесс восстановления намагниченности или перемагничивания среды. Эти процессы происходят на разных временных масштабах. Проведен модельный расчёт, показывающий, что перемагничивание тонкого нанометрового магнитного диска может происходить за счет циркулярно поляризованных световых импульсов фемтосекундной длительности во временном масштабе несколько десятков пикосекунд. Причём ключевую роль в таком процессе играет возбуждение вихревых токов Фуко в металлическом диске за счёт обратного эффекта Фарадея. Литература [1] Nanomagnetism and Spintronics, 2nd ed. / Eds T. Shinjo. Elsevier, Amsterdam (2014). [2] Contemporary Topics in Semiconductor Spintronics / Eds S. Bandyopadhyay, M. Cahay, J.-P. Leburton. World Scientific Publishing, Singapore (2017). [3] A.S. Borukhovich, A.V. Troshin. Europium Monoxide: Semiconductor and Ferromagnet for Spintronics, Springer Series in Materials Science 265, Springer, Switzerland (2018). [4] R. A. Duine, Kyung-Jin Lee, Stuart S. P. Parkin & M. D. Stiles, Synthetic antiferromagnetic spintronics, Nature Physics 14, 217 (2018). [5] L. Šmejkal, Y. Mokrousov, B. Yan & A. H. MacDonald, Topological antiferromagnetic spintronics, Nature Physics 14, 242 (2018). [6] P. Němec, M. Fiebig, T. Kampfrath & A. V. Kimel, Antiferromagnetic opto-spintronics, Nature Physics 14, 229 (2018). [7] V. V. Pavlov, L. V. Lutsev, P. A. Usachev, A. A. Astretsov, A. I. Stognij, N. N. Novitskii, and R. V. Pisarev, Effect of magnetic field enhancement of the photocurrent in ferromagnetic metal-dielectric heterostructures SiO 2 (Co)/GaAs, Appl. Phys. Lett. 106, 152404 (2015). [8] Z. Chen and V. G. Harris, Ferrite film growth on semiconductor substrates towards microwave and millimeter wave integrated circuits, J. Appl. Phys. 112, 081101 (2012). [9] Special issue on ultrafast magnetism, Journal of Physics: Condensed Matter, V. 30, № 3 (2017). [10] Oxide Thin Films, Multilayers, and Nanocomposites / Eds P. Mele, T. Endo, S. Arisawa, C. Li, T. Tsuchiva. Springer, Caham. Heidelberg (2015). [11] A. Kirilyuk, A. V. Kimel, Th. Rasing, Laser-induced magnetization dynamics and reversal in ferrimagnetic alloys, Rep. Prog. Phys. 76, 026501 (2013). [12] M. Fähnle, M. Haag, C. Illg, B. Y. Müller, W. Weng, T. Tsatsoulis, H. Huang, J. Z. Briones Paz, N. Teeny, L. Zhang, and T. Kuhn, Review of ultrafast demagnetization after femtosecond laser pulses: A complex interaction of light with quantum matter, Am. J. Mod. Phys. 7, 68 (2018).

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Разработана полуклассическая модель эффекта Фарадея в халькогенидах европия EuX, показывающая, что данный эффект пропорционален намагниченности. Модель основана лишь на понятиях классической физики. Данная модель для эффекта Фарадея в магнитных полупроводниках EuX дополняет хорошо известную классическую модель эффекта Фарадея в диамагнитном полупроводнике, формируя общую картину для многообразия магнитооптического вращения в различных твердых телах. Модель подтверждается данными, полученными для селенида европия EuSe в большом диапазоне температур и магнитных полей, охватывающих все возможные магнитные фазы. Кроме того, представлена формула, соединяющую угол фарадеевского вращения с намагниченностью, энергией фотонов и запрещенной зоной полупроводника. Это является ценным практическим решением для преобразования эффекта Фарадея в намагниченность при любой температуре и магнитной фазе для любого магнитного полупроводника из семейства EuX. Теоретически исследована роль точек компенсации в полностью оптическом переключении намагниченности в ферримагнетиках редкоземельных переходных металлов. Использована s-d модель, в которой локализованные спины связаны со спинами электронов проводимости через обменное взаимодействие s-d типа. Главным преимуществом данной модели является то, что она учитывает динамику как локализованной, так и делокализованной спиновой плотности. Важно, что температура компенсации, которая имеет отношение к полностью оптическому переключению намагниченности, определяется чисто спиновой поляризацией, т. е. суммой спиновых поляризаций локализованных электронов и электронов проводимости. Эта температура не совпадает точно ни с температурой компенсации намагниченности, ни с температурой компенсации углового момента. Исследованы релаксационные процессы фототока и вызванного светом гигантского инжекционного магнитосопротивления (IMR) в гетероструктурах SiO2(Co)/GaAs, где структура SiO2(Co) представляет собой гранулированную пленку SiO2 с наночастицами Co. Установлено, что фототок сопровождается релаксационными колебаниями. Релаксационные колебания обусловлены переходами между фототоком и электронами на самом высоком уровне в межфазной квантовой яме. Светоиндуцированное магнитосопротивление IMR достигает максимального значения в области начала лавины и имеет локальный минимум при более высоком напряжении. Установлено, что локальный минимум может быть объяснен делокализацией высшего уровня в межфазной квантовой яме и уменьшением вероятности обратного рассеяния инжектированных электронов на более глубоких уровнях. Гетероструктуры SiO2(Co)/GaAs могут быть использованы в качестве эффективных быстродействующих магнитных датчиков, работающих без гистерезиса при комнатной температуре. Проведено экспериментальное исследование фотоиндуцированного эффекта Фарадея в образце EuSe, освещенным светом в области края запрещенной зоны. Образцы EuSe выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках BaF2 (111). фотоиндуцированное фарадеевское вращение измерялось двухцветным методом накачка-зондирование с использованием 2 пс световых импульсов с чувствительностью ~10^-7 rad. Все измерения проводились в геометрии Фарадея с использованием оптического криостата, содержащего сверхпроводящую катушку для магнитных полей до 8 Т. Магнитный полярон имеет сверхбольшой магнитный момент порядка 6000 магнетонов Бора. Показано, что электронное состояние, генерирующее магнитный полярон, является внутренним; поэтому свет может быть использован для полного намагничивания слоя EuSe путем увеличения импульсного светового возбуждения. Также измерены характерные времена образования и исчезновения спиновых поляронов с помощью методики с высоким временным разрешением при измерении фотоиндуцированного эффекта Фарадея. Фемтосекундным спектральным методом проведено исследование нелинейных восприимчивостей в антиферромагнетике Сг2O3 . Измерения проводились в окрестности электрод-дипольных переходов 4a2 → 2E. Микроскопический анализ наблюдаемых спектральных особенностей учитывает кристаллическое поле, спин-орбитальное и обменное взаимодействия для электронных состояний. Феноменологический и микроскопический подходы позволяют сделать вывод о магнитоэлектрической природе нелинейных восприимчивостей в Cr2O3 в магнитных полях. Продемонстрирован квадратичный магнитооптический эффект Керра (КМОЭК) большой величины, а также сильные полярный и меридиональный линейные эффекты Керра в тонких пленках ферромагнитного (Eu,Gd)O, а также в исходном оксиде европия EuO. Данные пленки были выращены эпитаксиально на подложках на стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония. При энергии фотона 1,85 eV эффект достигает 1 deg, что на порядок больше заявленных значений КМОЭК по литературным данным. Показано, что большая величина КМОЭК в (Eu,Gd)O позволяет проводить детальные оптические исследования магнитной анизотропии плёночных материалов на основе халькогенидов европия. Структуры на основе наноразмерных плёнок EuO могут стыть перспективной основой для создания датчиков слабых тангенциальных магнитных полей с использованием КМОЭК.