Оглавление
33
Введение 5
Глава 1. Пикосскундная акустика (обзор литературы) 11
§1.1. Экспериментальные методы пикосекундной акустики. 11
1.1.1. Г'операция пикосекундных импульсов деформации. 11
1. 1.2. Детектирование пикосекундных импульсов деформации. 20 1.1.3. Распространение пикосекундных импульсов деформации. 24
§ 1.2. Пикосскундная акустика в наноструктурах. 28
1.2.1. Полупроводниковые диоды и гетероструктуры. 28
1.2.2. Полупроводниковые сверхрешётки. 30
1.2.3. Оптические микрорезонаторы и фононные нанорезонаторы.
§ 1.3. Ферромагнитные полупроводники. 35
1.3.1. Природа ферромагнетизма в ферромагнитных ^_ полупроводниках.
1.3.2. Магнитная анизотропия (Са.Мп)Ав. 38
Глава 2. Сверхбыстрое управление намагниченностью
ферромагнитных полупроводников методами 44
пикосекундной акустики.
§2.1. Методы управления намагниченностью. Постановка задачи. 44 § 2.2. Экспериментальная методика. Исследуемые структуры. 47
2.2.1. Идея эксперимента. 47
2.2.2. Схема эксперимента. 50
2.2.3. Принцип детектирования кинетики намагниченности. 53
2.2.4. Исследуемые структуры. 54
§ 2.3 Основные экспериментальные результаты. 55
2.3.1. Стационарные кривые намагниченности. 55
2.3.2. Кинетические сигналы, индуцированные пикосекундными ^ импульсами деформации.
2.3.3. Вклад теплового импульса в кинетический сигнал. 61
2.3.4. Зависимости от плотности возбуждения. 63
2.3.5. Полевые зависимости кинетических сигналов. 65
§ 2.4. Обсуждение экспериментальных результатов. 67
2.4.1. Механизм возбуждения прецессии намагниченности. 67
2.4.2. Распространение импульса деформации в ферромагнитном ^ слое.
2 .4.3.Влияние импульса деформации на магнитокристаллическую анизотропию. Моделирование прецессии намагниченности.
2
2.4.4. Сравнение модельных расчётов с теорией. Основные выводы главы 2.
76
78
85
96
Глава 3. Селективное возбуждение спиновых волн
в ферромагнитных полупроводниковых плёнках методами 80 пикосекундной акустики.
§3.1. Постановка задачи. $0
§ 3.2. Описание эксперимента. 82
3.2.1. Идея эксперимента. 82
3.2.2. Схема эксперимента. 85
3.2.3. Особенности детектирования кинетики намагниченности в поперечном магнитном поле.
§ 3.3. Экспериментальные результаты. 88
3.3.1. Кинетические сигналы. 88
3.3.2. Кинетика осцилляций проекций намагниченности. 91
3.3.3. Фурье-анализ осцилляций намагниченности. 93
§ 3.4. Обсуждение результатов. 95
3.4.1. Анализ кинетики намагниченности. Уравнение Ландау-Лифшица.
3.4.2. Анализ Фурье-компонент импульса деформации. 98
3.4.3. Пространственная форма стоячих спиновых волн.
Граничные условия.
3.4.4. Сравнение теории с экспериментом. 107
Основные выводы главы 3. 109
Глава 4. Возбуждение и детектирование упругих колебаний ц^
в гинерзвуковых фо гонно-фононных кристаллах.
§ 4.1. Гиперзвуковые кристаллы. Постановка задачи. 111
§ 4.2. Оптические и акустические свойства плёночных синтетических ^ ^ опалов.
4.2.1. Оптические свойства синтетических опалов. 112
4.2.2. Акустические свойства синтетических опалов. 116
§ 4.3. Экспериментальная методика. Исследуемые структуры. 119
4.3.1. Идея эксперимента. 119
4.3.2. Схема эксперимента. 121
4.3.3. Исследуемые структуры. 121
§ 4.4. Экспериментальные результаты. 124
4.4.1. Кинетические сигналы. 124
4.4.2. Эластооптический эффект в опалах. Угловая зависимость кинетических сигналов.
3
§ 4.5. Обсуждение результатов. 128
4.5.1. Фурье-анализ кинетических сигналов. 128
4.5.2. Спектрально-временная эволюция возбуждаемых мод. Сравнение с теорией.
Основные выводы главы 4. 134
Заключение. 135
Литература. 137
Публикации по теме диссертации. 137
Цитируемая литература. 138
4
Введение.
Актуальность темы. Развитие электроники, которое в последнее десятилетие характеризуется стремительным ростом быстродействия и объёма обрабатываемой информации, задает современной пауке жёсткие требования по выбору объектов и методов исследований. В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем физики твердого тела является поиск методов управления магнитными состояниями на сверхкоротких временах. В первую очередь это связано с тем, что классические магнитные устройства хранения информации, принцип работы которых основан на управлении локальной намагниченностью ферромагнитной плёнки при помощи внешнего магнитного ноля, достигли предела своего быстродействия. В таких устройствах характерное время перемагничивания магнитного домена определяется релаксационными процессами и не может быть короче 1 наносекунды. Ближайшей целью современных исследований является реализация резонансного метода управления намагниченностью, когда вызванные внешним воздействием изменения происходят на частоте ферромагнитного резонанса с характерными временами на несколько порядков короче.
В настоящее время рассматриваются различные подходы к управлению магнитным порядком ферромагнетиков, альтернативные воздействию внешнего магнитного поля. Так сверхбыстрые изменения намагниченности могут происходить под действием сверхкоротких световых импульсов, которые, однако, вносят существенное возбуждение в другие подсистемы ферромагнетика. Другой способ управления, подтвердивший свою эффективность в стационарных экспериментах, основан на чувствительности намагниченности к деформации. Методы пикосекундной акустики, которые позволяют оптически генерировать в твёрдых телах пикосекундные импульсы деформации большой амплитуды, являются уникальным сочетанием этих двух различных подходов и могут стать эффективным
5
инструментом по сверхбыстрому управлению намагниченностью в тонких пленках ферромагнетиков. До настоящего времени при исследовании сверхбыстрых динамических магнитных процессов в ферромагнитных структурах методы пикосекундной акустики не применялись.
Эффективность воздействия на магнитную подсистему ферромагнетика импульсов деформации, являющихся когерентными акустическими волновыми пакетами с широким спектром, определяется плотностью состояний акустических колебаний на частоте ферромагнитного резонанса. Способностью выделять из широкого акустического спектра когерентные упругие колебания гигагерцовых частот обладают структуры, получившие название гиперзвуковых фононных кристаллов. В таких структурах периодическая модуляция акустического импеданса с пространственным периодом ~100 нм приводит к формированию запрещённых фононных зон, и локализованные колебания с соответствующей частотой могут демонстрировать аномально высокую спектральную плотность. Однако до настоящего времени кинетика возбуждения и распространения упругих колебаний в трёхмерных гиперзвуковых фононных кристаллах оставалась не изученной.
Таким образом, целыо работы является исследование динамических магнитных эффектов, индуцированных пикосекундными импульсами деформации в тонких ферромагнитных пленках, а также изучение кинетики возбуждения и распространения когерентных упругих колебании в плёнках трёхмерных фононных кристаллов. В качестве модельных объектов для исследования были выбраны плёнки ферромагнитных полупроводников, демонстрирующие высокую чувствительность магнитных свойств к деформации, и плёнки синтетических опалов, проявляющие уникальное сочетание свойств фононных и фотонных кристаллов.
6
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
1. динамические магнитные свойства ферромагнетика исследуются сочетанием методов ппкосекундной акустики и сверхбыстрой магнитооптической спектроскопии;
2. осуществлена сверхбыстрая модуляция намагниченности ферромагнитной плёнки под действием пикосекундного импульса деформации;
3. осуществлено селективное возбуждение стоячей спиновой волны под действием когерентного акустического волнового пакета с широким спектром;
4. в трехмерном гиперзвуковом фононном кристалле в реальном времени зафиксирован процесс выделения из широкого акустического спектра локализованных когерентных упругих колебаний гигагерцовых частот.
Научное и практическое значение работы состоит в том, что в ней экспериментально продемонстрирован новый способ сверхбыстрой модуляции намагниченности ферромагнетиков, который может стать основой для создания сверхбыстрого метода управления намагниченностью в устройствах хранения информации. Помимо этого предложенные в работе подходы и решения позволяют исследовать динамические магнитные свойства ферромагнитных материалов с высоким временным разрешением. Получена принципиально важная информация о механизмах взаимодействия когерентных гиперзвуковых упругих колебаний с магнитной подсистемой ферромагнитных полупроводников, которая при этом отражает общие закономерности резонансных магнитоакустических процессов в ферромагнетиках. Принципиально важным является также экспериментальное подтверждение существования полной запрещённой фононной зоны в плёнках синтетических опалов, что открывает широкие перспективы по управлению резонансными акустическими явлениями в
гигагерцовом и суб герагерцовом диапазонах.
7
Основные положения. выносимые на защиту:
□ Разработан экспериментальный метод исследования резонансного взаимодействия когерентных ГГц акустических волн и магнитной подсистемы в нанометровых ферромагнитных плёнках, основанный на сочетании методов пикосекундной акустики и сверхбыстрой магнитооптической спектроскопии. Разработанный метод позволяет получать новую информацию о магнитоакустическом взаимодействии и является основой для сверхбыстрого управления намагниченностью ферромагнитных наноструктур.
Г Инжектированный в плёнку ферромагнитного полупроводника (Оа,Мп)Ав, пикосекундный импульс деформации вызывает сверхбыструю модуляцию магнитокристаллической анизотропии, что приводит к когерентной прецессии намагниченности на частоте ферромагнитного резонанса.
□ При приложении внешнего магнитного поля перпендикулярно плоскости ферромагнитной плёнки (Оа,Мп)Ая кинетика намагниченности описывается с высокой точностью численной моделью, в которой деформация вдоль оси роста структуры вызывает прямопропорциональное изменение перпендикулярного одноосного поля анизотропии.
□ Кинетический сигнал полярною керровского вращения, измеренный в ферромагнитном (Са,Мп)Аз и обусловленный прецессией намагниченности, содержит вклад от гигантского магнитного линейного дихроизма, присущего (Оа,Мп)АБ. В результате временная эволюция керровского сигнала зависит от взаимной ориентации плоскости поляризации пробирующего света и стационарной ориентации намагниченности в плоскости ферромагнитного слоя.
□ Экспериментально продемонстрировано селективное
возбуждение стоячих спиновых волн в нанометровых ферромагнитных слоях
под действием субгерагерцовых акустических волновых пакетов с широким
8
спектром. Селективное возбуждение одиночной спиновой моды обусловлено пространственным перекрытием волновых функций спиновой волны И резонансной с ней по частоте фононной моды.
I При возбуждении когерентного акустического волнового пакета в плёнках синтетических опалов наблюдается аномально долгое время жизни упругих колебаний кварцевых сфер на определённой частоте. Это является экспериментальным доказательством наличия полной запрещённой фононной зоны, приводящей к локализации у поверхности упругих мод с частотой, соответствующей её спектральному положению.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на научных семинарах в ФТИ им. Л.Ф. Иоффе (лаб. Каплянского, лаб. Кусраева, низкоразмерный семинар), CI loi 'У и TU Dortmund (Германия), а также на следующих российских и международных конференциях: Российская молодёжная конференция по физике и астрономии "ФизикА.СПб" (Санкт Петербург, 2009); 13-я и 14-я Международные конференции по рассеянию фононов в твердых телах “Phonons 2010, 2012” (Тайней, Тайвань, 2010 и Эн Арбор, США, 2012); Международная летняя школа “Son et Lumicr (Свет и звук)” 2010 (Каржез, Франция) и 2012 (Лезуш, Франция); Международная летняя школа “ Наноматериалы на основе неорганических материалов” (Каржез, Франция, 2011), Научное совещание «Опалоподобные структуры» (Санкт-Петербург, 2010; работа отмечена призом за лучший доклад среди молодых учёных).
Публикации. Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 6-ти печатных работах, список которых приведён в конце диссертации.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 210 наименований. Общий
объём работы -158 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок.
9
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована основная цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены основные методы пикосекундной акустики и основные результаты, полученные при исследовании гетеро- и наноструктур этими методами, а также основные свойства плёнок разбавленных ферромагнитных полупроводников.
Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования возбуждения когерентной прецессии намагниченности плёнок ферромагнитного (Са,Мп)А8 пикосекундными импульсами деформации.
Третья глава посвящена исследованию возбуждения спиновых волн пикосекундными импульсами деформации в плёнках ферромагнитного (Оа,Мп)Ав. Экспериментально показана возможность селективного возбуждения спиновых волн акустическими импульсами с широким спектром.
В четвёртой главе приведены результаты исследований генерации и распространения когерентных гиперзвуковых колебаний в плёнках синтетических опалов.
В заключении приводятся основные выводы работы, которые также даны в конце каждой главы.
Библиография разделена на две части: в первой представлены работы автора, в которых опубликованы основные результаты исследований по теме диссертации, во второй части приведена цитируемая литература.
10
Глава 1. Пикосскундная акустика (обзор литературы).
§ 1.1. Экспериментальные методы пикосекундной акустики.
Долгое время для исследований резонансного взаимодействия упругих колебаний с другими возбуждениями в твердых телах использовались классические ультразвуковые методы, основанные на генерации когерентных акустических волн мегагерцового диапазона при помощи пьезоэлектрических модуляторов [1]. Эти методы также легли в основу классической магнитоакустикн [2]. Несмотря на их широкое применение, существенным недостатком ультразвуковых методов является ограниченный частотный диапазон генерируемых упругих колебаний. Обычно частота колебании не превышает 1 ГГц, а в очень редких случаях достигает 10 ГГц.
В 1964 году Гугфсльдом был предложен метод тепловых импульсов, позволяющий генерировать неравновесные фононы с частотами до нескольких терагерц (1012 Гц) при помощи наносекундных лазерных импульсов большой мощности [3]. Однако генерация когерентных акустических колебаний таким методом была невозможна. Прорыв в физической акустике произошёл вместе с появлением фемтосекундных лазеров. Сверхкороткий лазерный импульс позволяет возбуждать в твёрдом теле когерентный акустический волновой пакет длительностью в несколько десятков пикосекунд. Направление физики твердого тела, использующее такой метод возбуждения акустических импульсов, получило название пикосскундная акустика. Ниже мы рассмотрим основные подходы, использующиеся в рамках этого направления.
1.1. I. Генерация пикосекундных импульсов деформации.
Первые эксперименты, в которых возбуждались когерентные акустические колебания с периодом -100 по, были проведены Томсеном в 1984 году [4]. В этих исследованиях применялся памп-проб метод, который с
11
небольшими изменениями используется и в настоящее время в экспериментах с пикосекундными импульсами деформации (Рис. 1.1 (а)). В данном методе на поверхность образца в одну и ту же точку фокусируются два луча импульсного лазера. Один из лучей возбуждает упругие колебания в исследуемой структуре, а другой луч со значительно меньшей интенсивностью используется для их оптического детектирования. Изменяя задержку между импульсами, можно проследить эволюцию колебаний с высоким временным разрешением (Рис. 1.1 (а)) [5, 6].
В первых работах [4, 7] исследовались плёнки халькогенидного стекла я-Ая2Тез, напылённого на сапфировую подложку. Для возбуждения и детектирования колебаний был использован импульсный лазер с длительностью импульса 1 пс и длиной волны 630 нм (2 эВ). В эксперименте авторы детектировали фотоиндуцированные осцилляции интенсивности пробирующего луча, отраженного от образца. Период осцилляций составил -100 пс и был прямо пропорционален толщине плёнки, а их амплитуда составляла -104 от интенсивности отражённого света. Наблюдаемые осцилляции были объяснены распространением пикосекундного импульса деформации в пленке в прямом и обратном направлении. Возбуждение такого импульса обусловлено мгновенным оптическим разогревом плёнки [4, 7]. Сверхбыстрое термическое расширение плёнки приводит к
возникновению упругого напряжения, которое затем формирует импульс деформации. Импульс распространяется в плёнке перпендикулярно поверхности, отражается от границ и вызывает периодическое изменение её оптических свойств [4, 7].
Изначально возбуждение импульса деформации описывалось в рамках термоупругой модели [4, 7]. В данной модели рассматривался лазерный импульс с энергией (7, сфокусированный в пятно площадью А на поверхности акустически изотропной пленки, осаждённой на подложку. Лазерный импульс, проникая в плёнку на глубину поглощения £ повышает её температуру на величину
12
Рис. 1.1 (а) Схема памп-проб эксперимента; (б) механизм генерации импульса деформации.
13
- Київ+380960830922