Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В первый год выполнения проекта научный исследования велись по трем основным направлениям, связанных с изучением и управлением термическими и нетермическими магнонами в многослойных и профилированных материалах на основе ферромагнитных металлов. Объектами исследований были спиновые затворы (Fe,Ga)/Cu/(Fe,Ga), переключатели Кюри Fe/(Fe,Cr)/Fe и синтетический мультиферроик CoFeB/BaTiO3. В спиновых затворах (Fe,Ga)/Cu/(Fe,Ga) может реализовываться интересное физическое явление - возникновение связанных прецессий намагниченности двух ферромагнитных слоев (Fe,Ga) за счет эффекта спиновой накачки. Такие связанные моды прецессии по своим свойствам, например, времени затухания, отличаются от прецессии намагниченности в слоях структуры без этого эффекта. Нами было изучено, может ли эффект спиновой накачки влиять на распространение лазерно-индуцированных спиновых волн в таких спиновых затворах. Путем подробного экспериментальных исследований методами фемтосекундной магнитооптической сканирующей микроскопии и мандельштам-бриллюэновского рассеяния света, а также микромагнитного моделирования мы показали, что спиновая накачка и формирование диссипативной связи между слоями обеспечивает увеличение длины распространения магнитостатической волны, возбуждаемой лазерным импульсом. Особенностью структур типа переключатель Кюри Fe/(Fe,Cr)/Fe является то, что буферный слой (Fe,Cr) имеет относительно низкую температуру перехода в парамагнитное состояние и из-за этого в таких структурах при изменении температуры реализуется изменение типа обменной связи между слоями Fe - от прямого обменного взаимодействия при низких температурах к непрямому РККЙ-типа при высоких. Нами показано, что воздействия фемтосекундного лазерного импульса на такие структуры приводит к возбуждению коллективной прецессии намагниченности слоев Fe, причем механизмом такого возбуждения является сверхбыстрое изменение обменного взаимодействия. Полученные экспериментальные данные позволяют определить, как именно меняется величина и знак обменного взаимодействия. Промежуточные результаты этого исследования представлены на двух международных конференциях, идет работа по построениею модели, объясняющей экспериментальные наблюдения. Все эти результаты создали важную базу для дальнейшего выполнения проекта и достижения его основной цели - реализации сверхбыстрого управления магнонами и магнонными структурами фемтосекундными лазерными импульсами. Кроме того, в первый год проекта выполнено исследование лазерно-инуцированной динамики намагниченности в синтетическом мультиферроике CoFeB/BaTiO3. Синтетический мультиферроик CoFeB/BaTiO3 - это структура, состоящая из слоя сегнетоэлектрика BaTiO3 и тонкой пленки ферромагнитного металла CoFeB. Особенностью такой структуры является то, что магнитная анизотропия в слое CoFeB имеет магнитоупругую природу и направление оси анизотропии однозначно определяется направлением поляризации в сегнетоэлектрике и соответствующим механическим напряжением. Нами было проведено моделирование траекторий движения намагниченности при сверхбыстром размагничивании и уменьшении магнитоупругой анизотропии, индуцированных в такой структуре под воздействием фемтосекундного лазерного импульса. В результате моделирования было, в частности, определено, что при определенных величине и направлении внешнего магнитного поля воздействие фемтосекундного лазерного импульса приводит к переключению намагниченности в одном из режимов: прецессионное переключение или переключение через метастабильное состояние. Переход между этими режимами определяется гильбертовым затуханием CoFeB, а также временами релаксации намагниченности и магнитной анизотропии из лазерно-измененного в равновесное состояние. Сравнение с ранее проведенными экспериментами для такой структуры позволило обнаружить в экспериментальных данных признаки лазерно-индуцированного переключения через метастабильное состояние. На основе полученных данных моделирования, нашедших подтверждение в экспериментах, сделаны предложения по реализации лазерно-индуцированного прецессионного переключения в синтетических мультиферроиках на основе структур ферромагнетик/сегнетоэлектрик. Для такого переключения, с одной стороны, необходима большая величина гильбертова затухания в слое ферромагнетика, чего можно достигнуть в сплавах CoFeB путем подбора их состава и технологии роста. С другой стороны, сегнетоэлектрический или пьезоэлектрический слой задает величину и направление оси магнитоупругой анизотропии, которые можно менять, прикладывая к этому слою электрическое поле. Таким образом, имеется возможность создания “битов”, в которых перезапись информации осуществляется за счет лазерно-индуцированного прецессионного переключения намагниченности. Результаты этой части работ по проекту вошли в статью, опубликованную в журнале Physical Review Applied. Научно-популярное описание данного исследования представлено в новостях об исследованиях, поддержанных РНФ: https://www.rscf.ru/news/physics/sverkhbystryy-pereklyuchatel/, а также в ряде интернет-изданий: https://indicator.ru/physics/shag-k-sozdaniyu-magnitnoi-pamyati-novogo-pokoleniya-23-11-2020.htm https://www.gazeta.ru/science/news/2020/11/18/n_15244567.shtml https://www.kommersant.ru/doc/4574674

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Для реализации свехбыстрой опто-магноники, т.е. генерации и управления спиновыми волнами фемтосекундными лазерными импульсами, критически важна идентификация структур и механизмов, позволяющих получать лазерно-индуцированные изменения магнитных параметров значительной величины. В рамках проекта основными ключевыми механизмами таких изменений является так называемое термическое подавление магнитной анизотропии и размагничивание. Поэтому в 2021 году одним из основных акцентов в исследованиях было выявление возможности реализации этих механизмов при умеренных воздействиях. Для этого проведено исследование и детальный анализ лазерно-индуцированных изменений магнитной анизотропии интерфейсного типа в СoFeB/MgO/CoFeB. Такая анизотропия играет решающую роль во многих многослойных структурах для магноники. Кроме того, проведено детальное исследование степени лазерно-индуцированного размагничивания в различных пленках и многослойных структурах галфенола. Еще одним свойством многослойных структур, перспективных для сверхбыстрой оптомагноники, является межслойное взаимодействие, определяющее в том числе и дисперсионные свойства. В 2021 году мы исследовали влияние такого взаимодействия и общих геометрических параметров структуры типа спинового затвора FeGa/Cu/FeGa на дисперсионные характеристики магнитостатических волн. В части изучения лазерно-индуцированных изменений межслоевого обмена мы провели детальный анализ различных механизмов лазерно-индуцированной генерации прецессии намагниченности в структуре типа переключателя Кюри Fe/FeCr/Fe, где ферромагнитные слои связаны температурно-зависимым непрямым обменным взаимодействием. В части изучения распространения спиновых волн, генерируемых лазерным импульсом в магнитных металлах, мы провели детальное исследование эволюции спектральных характеристик спин-волнового пакета, распространяющегося в пленках Fe различной толщины. Все проведенные исследования позволили получить новую информацию о лазерно-индуцированных процессах, которые могут лечь в основу сверхбыстрой оптически-реконфигурируемой магноники, а именно: Для случая сверхтонких пленок CoFeB с интерфейсом с MgO, составляющих структуру магнитного туннельного перехода CoFeB/MgO/CoFeB, впервые показано, что лазерно-индуцированные термические изменения магнитной интерфейсной анизотропии отклоняются от известного для равновесного случая степенного закона K~M^g, где g - параметр, определяемый типом анизотропии. Показано, что при постепенном увеличении плотности энергии в лазерном импульсе, параметр g растет, т.е. лазерно-индуцированные изменения магнитной анизотропии становятся сильнее, чем можно было бы ожидать исходя из степенного закона. Это связано с появлением зависимости g от величины сверхбыстрого размагничивания. Для структуры CoFeB/MgO/CoFeB данный эффект позволяет реализовать полное подавление перпендикулярной магнитной анизотропии при умеренных плотностях энергии в лазерном импульсе. Полученный результат показывает, что для сверхбыстрой оптомагноники перспективными являются структуры, где можно достигать существенных степеней размагничивания, приводящих к усилению лазерно-индуцированных изменений анизотропии. Так, в результате экспериментов по сверхбыстрому размагничиванию в FeGa, были идентифицированы пленки толщиной 4 нм, которые удовлетворяют такому условию. Установлено влияние геометрической асимметрии трехслойной структуры FeGa/Cu/FeGa на невзаимность распространения коллективных акустической и оптической мод магнитостатических волн, формирующихся за счет магнито-дипольной связи. В эксперименте параметр невзаимности по частотам достигал 2% для волновых чисел 22х10^4 rad/cm. Теоретически показано, что при увеличении асимметрии структуры этот параметр может достигать 5%. Также показано, что толщина немагнитного слоя меди практически не влияет на величину невзаимности при вариации от 2 до 10 нм. При этом для опорной одиночной пленки FeGa сопоставимой толщины невзаимность распространения магнитостатических волн в эксперименте не наблюдалась, что согласуется с теоретическими расчетами. Таким образом, продемонстрировано, что коллективная динамика двух дипольно связанных ферромагнитных слоев с параллельными намагниченностями является невзаимной при нарушении симметрии структуры, что, насколько известно исполнителям проекта, ранее не обсуждалось в работах других авторов. В ходе изучения отклика структур типа переключатель Кюри Fe/FeCr/Fe на лазерно-индуцированное возбуждение, было достоверно показано, что доминирующим механизмом возбуждения прецессии намагниченности является лазерно-индуцированное увеличение непрямого обменного взаимодействия между слоями Fe, а эффекты размагничивания или спин-поляризованных токов между слоями играют второстепенную роль. Впервые экспериментально продемонстрировано оптическое возбуждение магнитостатических волн в тонких пленках железа. Возбуждаемые волновые пакеты наблюдались на расстояниях более 10 мкм от области возбуждения. При этом в процессе распространения пакет приобретал частотную модуляцию. Проведенный анализ временных сигналов показал, что изменение параметра модуляции с расстоянием качественно описывается при учете второго порядка в разложении дисперсионного закона для волн. Количественное отклонение от теоретической модели может быть объяснено широкополосностью пакета магнитостатических волн при оптическом возбуждении, что выходит за рамки приближения, для которого развит теоретический подход.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Доведены до завершения исследования по двум основным направлениям проекта. I. Термические и лазерно-индуцированные магнитостатические волны в многослойной структуре геометрически-несимметричного псевдоспинового затвора FeGa/Cu/FeGa, где несимметричность достигается за счёт различной толщины ферромагнитных слоёв. В отчётном году упор в исследованиях был сделан на вывлении механизма, ответственного за невзаимность в распространении оптической и акустической мод термических магнитостатических волн. Детальное микромагнитное моделирование позволило выявить механизм возникновения невзаимности. Причиной невзаимнсоти является смещение максимума амплитуды конкретной моды в более тонкий или более толстый ферромагнитный слой, которые характеризуются разной дисперсией. Было определено, что для возникновения невзаимности необходимо, чтобы толщины слоёв были меньше 10 нм, когда возникает заметное изменение дисперсии с толщиной. Различие в толщинах при этом должно, с одной стороны, давать ощутимый вклад в невзаимность, но не препятствовать формированию связанных мод. Показано, что чем мельше толщина слоёв, тем меньше должно быть различие в их толщинах для выполнения обоих условий. II. Лазерно-индуцированное изменение обменного взаимодействия в в многослойной структуре переключателя Кюри с управляемым температурой межслоевым обменным взаимодействием. В отчётном году основной упор был сделан на экспериментальном исследованиии отклика структуры на лазерное возбуждение в широком диапазоне температур существенно ниже и вблизи температуры Кюри прослойки, т.е. вблизи перехода из синтетического ферромагнитного в синтетическое антиферромагнитное состояния. Детальное экспериментальное исследование показало, что возбуждение антиферромагнитной (оптической) моды возможно во всём диапазоне температур, даже при тех начальных температурах и плотностях энергии накачки, при которых лазерно-индуцированный равновесный нагрев не достаточен для переключения прослойки в антиферромагнитное состояние. Высказано предположение, что это является свидетельством того, что за изменение знака межслоевого зваимодействия отвечает не равновесный нагрев, а изменение состояния электронной подсистемы в первые пикосекундны после возбуждения, при которых кинетическая энергия электронов проводимости и эффективная температуры высокие, что может приводить к кратковременному переключению состояния прослойки. Опубликованы 2 статьи в журналах, входящих в 1й квартиль по WoS и Scopus: Ia. A. Filatov, P. I. Gerevenkov, M. Wang, A. W. Rushforth, A. M. Kalashnikova, and N. E. Khokhlov, Appl. Phys. Lett. 120, 112404 (2022). Leonid A. Shelukhin, Rashid R. Gareev, Vladyslav Zbarsky, Jakob Walowski, Markus Münzenberg, Nikolay A. Pertsev and Alexandra M. Kalashnikova, Spin reorientation transition in CoFeB/MgO/CoFeB tunnel junction enabled by ultrafast laser-induced suppression of perpendicular magnetic anisotropу, Nanoscale, 14, 8153 (2022). Опубликован препринт: P. I. Gerevenkov, V. D. Bessonov, V. S. Teplov, A. V. Telegin, A. M. Kalashnikova, N. E. Khokhlov, Nonreciprocal collective magnetostatic wave modes in geometrically asymmetric bilayer structure with nonmagnetic spacer, arXiv:2210.14882