Презентация на тему: Фемтомагнетизм и сверхбыстрое оптическое перемагничивание

Орлова Наталья БорисовнаФемтомагнетизм и сверхбыстрое оптическое перемагничивание

Предмет изучения фемтомагнетизмаВремена в магнетизме. Теоретический пределТеоретическая невозможность фемтомагнетизмаЭкспериментальное наблюдение сверхбыстрой магнитной динамикиОсновные теоретические подходыНаши работы

раздел магнетизма, изучающий влияние фемтосекундных (10-15с) лазерных импульсов на магнитное состояние веществ со спиновым магнитным упорядочением.G. Zhang, W. Hübner, E. Beaurepaire, J.-Y. Bigot, Topic Apply Physics, 83, 245, 2002

Метод накачка-проба (pump-probe)Основной метод для изучения сверхбыстрых процессов .Сверхбыстрые процессы (ultrafast processes) – процессы, характерные времена которых составляют пико- или фемтосекунды

Времена спиновой динамикиАмплитуда магнитного поля в мощных лазерный импульсах порядка 105 Э

Предельное время перемагничиваниябсолютный рекорд по времени перемагничивания. Не противоречит теории магнетизма!

– сигнал до накачки – сигнал после накачки длительность накачки Зависимость интенсивности магнитооптического сигнала Керра от времени задержки после импульса накачки Δt (ps)

Сверхбыстрое оптическоеразмагничивание никеляПараметры pump:длительность τpulse = 50 фс,флюенс Ф = (1 – 10-3) мДж/см2,λ = 798 нм.Optic — электрооптический сигнал, соответствующий возбуждению зарядов.Magnetic — магнитооптический сигнал, соответствующий возбуждению спинов.Результат: Возбуждение спинов происходит во время действия pump (50 фс), как и возбуждение зарядов.

Фемтомагнетизм в антиферромагнетикахВещество TmFeO3 — двухподрещёточный антиферромагнетик с переориентацией вектора антиферромагнетизма. Результат: время установления спиновой температуры — 0,3 пс время вращения L — 5 пс период волновых колебаний — 10 пс

Фемтомагнетизм в антиферромагнетикахВещество DyFeO3 — двухподрещёточный антиферромагнетик с большим эффектом Фарадея θ = 3 о/см. Параметры pump:τpulse = 200 фс,Ф = 30 мДж/см2,λ = 1200 нм,две циркулярные поляризации.Результат: 1) нетепловое воздействие (зависимость от поляризации) 2) частота осцилляций зависит оттемпературы.

Фемтомагнетизм в антиферромагнетикахВещество FeBO3 — двухподрещёточный антиферромагнетик с высокой температурой Нееля TN = 348 K. Параметры pump:pulse = 150 фс, Ф = (1 – 60) мДж/см2,λ = 1000 нм,поляризация: циркулярная и линейная Результат: Эффекты наблюдаются не только для циркулярно, но и для линейно поляризованной накачки.

Сверхбыстрое оптическое перемагничиваниеРаспределение намагниченности в плёнке Gd-Fe-Co с перпендикулярной анизотропией: до облучения (a), после облучения (b). Из статьи C. D. Stanciu et al. Phys. Rev. Lett. 99, 047601 (2007).τpulse = 40 фс ― длительность одного импульса, λ = 800 нм ― длина волныf = 1 кГц ― частота следования импульсов,v = 30 мкм/с ― скорость сканирования,Ф = 11,4 мДж/см2 ― флюэнс накачки.

Оптическое перемагничивание фемтосекундными импульсамиK. Vahaplar, A. M. Kalashnikova, A. V. Kimel, D. Hinzke, U. Nowak, R. Chantrell, A. Tsukamoto, A. Itoh, A. Kirilyuk, Th. Rasing Phys. Rev. Lett., 103, 117201 (2009).Результат: намагниченность исчезает, затем восстанавливается в направлении, определяемом киральностью накачки.

В чём состоит принципиальное отличие фемтосекундной накачки от наносекундной?

Различие первое – амплитудаПример: двухуровневая системаОдинаковое влияние на эту систему 10 фемтосекундного и наносекундного импульса будет при условии

Времена возбуждения S и L порядка десятки fsВремена релаксации S и L порядка 10 3 fsДополнительное взаимодействие с электрическим полем накачки

Динамика спинов под действием мощьной оптической накачки с эффективным магнитным полем Heff = 20 T и длительностью teff = 250 фсЧисленный анализ для объёма 30 nm × 30 × nm × 30 nm Результат – 3 стадии релаксации:1-ая стадия – нагрев до температуры T ≈ 1000 K (t = 0,5 пс)2-ая стадия – остывание до T < TC (t = 10 пс)3-ая стадия – формирование домена (t = 30 пс). Направление намагниченности домена зависит от ориентации Heff

Различие второе – неопределённость в ширине спектра накачкиНеопределённость в частоте накачки Нерезонансность возбуждения Время жизни возбуждённого состоянияРелаксация возбуждённого состояния — спонтанное излучение.

Спонтанное излучениеL — хранилище исходной оптической когерентности?

Проблема стабилизации lа. Осцилляции lб. Подавление осцилляций l

Проблема стабилизации lМодели для Vll орбитальный ферромагнетизм - аналог взаимодействия квадрупольных атомных моментов (переходы m↔−m связаны с передачей углового момента к решётке)Решение стационарного уравнения При Ω = ħG решалось уравнениеС начальным условием

Спиновая переориентация

Различие третье – различная крутизна фронтов импульсов нано- и фемтосекундной накачекПланируется изучить влияние этого факта на магнитооптические сигналы от пробных импульсов.

Область исследований «фемтомагнетизм» сформировалась в последнее десятилетие. До сих пор нет единого представления о природе этих явлений.

Спасибо за внимание!