Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Данный проект посвящен теоретическому и экспериментальному исследованию статических и динамических магнитных свойств тонких пленок феррита-граната, обладающих компенсацией магнитного момента. При этом для возбуждения спиновой динамики в таких пленках используются фемтосекундные лазерные импульсы, что позволяет возбуждать, как ферромагнитную, так и обменную спиновые моды и исследовать их свойства в зависимости от состояния образца на магнитной фазовой диаграмме. На втором этапе проекта проведены научные исследования по следующим направлениям: (i) исследование статических характеристик пленок ферритов-гранатов с компенсацией магнитного момента при различной ориентации магнитного поля относительно плоскости плёнки, (ii) исследование спиновой динамики в пленках ферритов-гранатов с компенсацией магнитного и углового моментов, (iii) cинтез компенсационных феррит-гранатовых пленок с заданными свойствами (в рамках договора субподряда с КФУ им. В.И. Вернадского). Теоретически исследованы фазовые состояния двухподрешеточных магнитных систем с эффектом компенсации намагниченности подрешеток, обладающих кубической магнитной анизотропией, во внешнем магнитном поле. Выявлено что достаточно большая (выше порогового значения) кубическая анизотропия в системе с анизотропией типа легкая ось и внешним магнитным полем, направленным в плоскости пленки, приводит к возникновению фазы бистабильности, в которой вектор антиферромагнетизма может иметь одно из 8ми энергетически эквивалентных равновесных направлений. Экспериментально обнаружена фотоиндуцированная модификация магнитооптических петель гистерезиса в (111) эпитаксиальной пленке катион-замещенного граната железа при комнатной температуре. Обнаружена зависимость эффекта от направления волнового вектора света накачки в кристалле. Экспериментально и теоретически исследована спиновая динамика в компенсационных пленках ферритов-гранатов вблизи температуры компенсации углового момента. Экспериментальное исследование проведено по методике “накачка-зондирование” (“pump-probe”). Выявлено, что если гиромагнитные отношения подрешеток различаются, т.е. различаются температуры компенсации магнитного момента и углового момента, то зависимости частоты спиновых мод от температуры (от разности модулей намагниченности подрешеток) имеют следующую особенность: температура, при которой наблюдаются экстремумы частот ферромагнитной (максимум) и антиферромагнитной (минимум) мод находится вблизи температуры компенсации углового момента. С ростом магнитного поля данные экстремумы частот приближаются к точке компенсации углового момента. В качестве основного образца выбрана пленка тулиевого феррита-граната с толщиной 3.2 мкм, выращенная методом жидкофазной эпитаксии на подложке гадолиний-галлиевого граната Gd3Ga5O12 с ориентацией (111), в рамках договора субподряда с КФУ им. В.И. Вернадского. Из-за различия гиромагнитных отношений магнитных подрешеток в данном образце температура компенсации намагниченности (192 К) отличается от температуры компенсации углового момента (212 К). Решена задача о спиновой динамики в компенсационных феррит-гранатовых пленках. Выявлено, что вблизи фазового перехода второго рода между коллинеарной и неколлинеарной фазами ферромагнитная мода ведет себя как мягкая: по мере приближения к точке фазового перехода ее частота падает в то время амплитуда - возрастает. Получены наглядные аналитические выражения для частоты и амплитуды мягкой моды в окрестности точки фазового перехода. Экспериментально наблюдалось возбуждение мягкой моды спиновой прецессии, частота которой значительно убывает (стремится к нулю) в окрестности фазового перехода от неколлинеарной к коллинеарной фазе в пленке феррита-граната. При фиксированной температуре образца 298 K четко наблюдается переход между двумя магнитными фазами при величине внешнего магнитного поля 269 мТл. По мере приближения к точке фазового перехода наблюдается резкое падение частоты прецессии и значительное увеличение амплитуды спиновой прецессии до 9 град. В рамках проекта была проведена численная симуляция спиновой динамики в феррит-гранатовых пленках с учетом температурной зависимости характеристик магнитного материала, таких как константа анизотропии и магнитная восприимчивость. Моделирование показало возможность оптического переключения намагниченности под воздействием лазерных импульсов, при этом импульс должен выводить систему из равновесия и обеспечивать достаточную энергию для перехода в новое состояние. В эксперименте для достижения полностью оптического переключения необходимо точно контролировать температуру и магнитное поле. Это критично из-за зависимости от фазовой диаграммы вблизи фазового перехода второго рода. В процессе эксперимента выявлены два ключевых фактора, указывающих на переключения: оффсет и биения в спиновой динамике. Фурье анализ спиновых динамик показал две ярко выраженные частоты и наличие оффсета, что указывает на возможность перемагничивания подрешеток за счет лазерных импульсов. Для дальнейшего развития задач, связанных с оптомагнонным воздействием на структурированные пленки компенсированного феррита-граната на предстоящих этапах проекта, было проведено численное моделирование особенностей обратного эффекта Фарадея на резонансах Ми в магнитных наносферах. Распределение эффективного поля обратного эффекта Фарадея на резонансных длинах волн имеет доминирующую z-компоненту, пучности поля которого сконцентрированы вблизи полюсов частицы. При этом по мере уменьшения длины волны, т.е. увеличения порядка Ми моды количество пучностей растет. В рамках договора субподряда с КФУ им. В.И. Вернадского получены компенсационные пленки феррита-граната, необходимые для экспериментальных исследований в рамках задач проекта. В частности, методом жидкофазной эпитаксии из раствора в расплаве с одной стороны подложки синтезированы пленки катион-замещенных гранатов железа, обладающих большими значениями магнитооптических эффектов и демонстрирующих компенсацию и магнитного и углового моментов. Температура компенсации по магнитному моменту для различных образцов разная и лежит в диапазоне от температуры жидкого азота до комнатной, а температура компенсации по угловому моменту на выше температуры магнитной компенсации на 15 - 30 градусов.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Данный проект посвящен теоретическому и экспериментальному исследованию статических и динамических магнитных свойств пленок феррита-граната, обладающих компенсацией магнитного момента. При этом для возбуждения спиновой динамики в таких пленках используются фемтосекундные лазерные импульсы, что позволяет возбуждать, как ферромагнитную, так и обменную спиновые моды и исследовать их свойства в зависимости от состояния образца на магнитной фазовой диаграмме. На третьем этапе проекта проведены научные исследования по следующим направлениям: 1) теоретическое изучение дисперсии спиновых волн в компенсационных пленках феррита-граната; 2) теоретическое и экспериментальное исследование особенностей спиновой динамики вблизи точки компенсации магнитного момента в поле, приложенном по нормали к пленке; (3) оптическое возбуждение коротких спиновых волн за счет немагнитных субволновых нанорешеток; (4) исследование полностью оптического переключения в компенсационных пленках феррита-граната за счет обратного эффекта Фарадея. В рамках договора субподряда с КФУ им. В.И. Вернадского получены компенсационные пленки феррита-граната, необходимые для экспериментальных исследований в рамках задач проекта. Получено выражение для обменной энергии Гейзенберга двухподрешеточной системы в квази-антиферромагнитном приближении и рассмотрена задача о магнитостатических обменных спиновых волнах в ферримагнитной пленке феррита-граната. Полученные дисперсионные зависимости демонстрируют квадратичный характер поведения кривых w(k). Выявлена зависимость от направления распространения спиновых волн: для неколлинеарной фазы возможно существование как продольно (по отношению к вектору внешнего магнитного поля) распространяющейся волны, так и поперечно-распространяющейся волны, в то время как в коллинеарной фазе существует только поперечно-распространяющаяся. При этом частоты волн таких типов заметно различаются только вблизи границы фаз на фазовой диаграмме. Изучение дисперсии магнитостатических спиновых волн без и с учетом обмена Гейзенберга в объеме пленки может быть задачей дальнейших исследований. Сверхбыстрое оптическое управление магнитными состояниями с помощью фемтосекундных лазерных импульсов является одной из приоритетных задач в области магнитооптики. Ферримагнетики с температурой компенсации намагниченности обладают нетривиальной спиновой динамикой при температурах, близких к точке компенсации, особенности которой исследованы для нормальной ориентации вектора внешнего магнитного поля. Теоретически выявлен и экспериментально подтвержден ряд особенностей динамики, отличающих ее как от динамики вдали от точки компенсации, так и от динамики вблизи нее, но с магнитным полем, лежащим в плоскости образца. Уникальной особенностью рассмотренной конфигурации является высокая чувствительность частот обеих мод спиновой динамики к величине приложенного внешнего магнитного поля. Интересным является наличие двух температур, при которых частоты обеих мод становятся одинаковыми, причем отстройка этих температур от точки компенсации увеличивается с увеличением внешнего магнитного поля. При таких температурах происходит вырождение прецессии вектора Нееля, обычно имеющий круговой вид, в колебательное движение вдоль направления распространения возбуждающего импульса. В рамках выполнения работ по проекту получены результаты фундаментального характера на стыке нанофотоники и сверхбыстрого магнетизма, имеющие перспективы для создания принципиально новых устройств обработки информации. В ходе проведённых исследований впервые предложен и экспериментально реализован принципиально новый метод, позволяющий обойти дифракционное ограничение. Создана специальная гибридная наноструктура из ультратонкой магнитной плёнки и диэлектрической нанорешётки, работающая как миниатюрный волновод. При облучении такой структуры коротким лазерным импульсом, настроенным на резонансную длину волны, демонстрируется субмикронное периодическое в пространстве возбуждение знакопеременного локального магнитного поля, которое селективно порождает спиновые волны строго заданной длины, равной периоду решётки, т.е. порядка 100 - 300 нм. При этом групповая скорость таких субдифракционных коротких спиновых волн порядка нескольких км/c. В рамках проекта исследованы бистабильные состояния ферритов-гранатов вблизи компенсации намагниченности, в которых реализуется неколлинеарная фаза и два устойчивых положения равновесия. Теоретическое описание их спиновой динамики основано на уравнениях, которые моделируют движение магнитных векторов под воздействием коротких лазерных импульсов. В частности, лазерные импульсы создают эффективное магнитное поле обратного эффекта Фарадея, которое способно перевести намагниченность во второе устойчивое положение равновесия без нагрева материала. Моделирование показало, что если интенсивность импульса превышает определенный порог, магнитный момент переходит из одного устойчивого состояния в другое. Этот эффект позволяет управлять магнитными состояниями с высокой скоростью и энергосбережением, что является перспективным для создания быстродействующих элементов памяти и логики в спинтронике. Подобраны оптимальные условия обеспечивают стабильный, детерминистический переход между магнитными состояниями без теплового воздействия, что повышает надежность и энергоэффективность. На основе модели реализованы оптические логические элементы типа AND, OR и NOT в компенсационных пленках, где энергия и поляризация импульсов определяют логические операции. Важность заключается в возможности построения полностью оптических вычислительных схем без тепловых потерь.