Фемтомагнетизм и сверхбыстрое оптическое перемагничивание

Содержание

Слайд 2

План доклада:

Предмет изучения фемтомагнетизма
Времена в магнетизме. Теоретический предел
Теоретическая невозможность фемтомагнетизма
Экспериментальное наблюдение сверхбыстрой

План доклада: Предмет изучения фемтомагнетизма Времена в магнетизме. Теоретический предел Теоретическая невозможность
магнитной динамики
Основные теоретические подходы
Наши работы

Слайд 3

Фемтомагнетизм –

раздел магнетизма, изучающий влияние фемтосекундных (10-15с) лазерных импульсов на магнитное состояние

Фемтомагнетизм – раздел магнетизма, изучающий влияние фемтосекундных (10-15с) лазерных импульсов на магнитное
веществ со спиновым магнитным упорядочением.

U. Bovensiepen, Nature, 5, 401 (2009).

G. Zhang, W. Hübner, E. Beaurepaire, J.-Y. Bigot, Topic Apply Physics, 83, 245, 2002

Слайд 4

Метод накачка-проба (pump-probe)

Основной метод для изучения сверхбыстрых процессов .

Сверхбыстрые процессы (ultrafast processes)

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

Слайд 5

Времена спиновой динамики

― частота прецессии,

― период прецессии,

― время спин-решёточной релаксации.

Амплитуда

Времена спиновой динамики ― частота прецессии, ― период прецессии, ― время спин-решёточной
магнитного поля в мощных лазерный импульсах порядка 105 Э

Слайд 6

Предельное время перемагничивания

2004 год

Абсолютный рекорд по времени перемагничивания.
Не противоречит теории магнетизма!

2,3

Предельное время перемагничивания 2004 год Абсолютный рекорд по времени перемагничивания. Не противоречит теории магнетизма! 2,3 пикосекунды
пикосекунды

Слайд 7

Из презентации
Р. В. Писарева, ФКС-2010

Из презентации Р. В. Писарева, ФКС-2010

Слайд 8

Первый эксперимент

Зависимость интенсивности магнитооптического сигнала Керра от времени задержки после импульса накачки

Первый эксперимент Зависимость интенсивности магнитооптического сигнала Керра от времени задержки после импульса
Δt (ps)

– сигнал до накачки

– сигнал после накачки

– длительность накачки

фс – время релаксации
сигнала

E. Beaurepaire et all,
Phys. Rev. Lett. 76, (1996) 4250.

Слайд 9

Сверхбыстрое оптическое размагничивание никеля

Параметры pump:

J.-Y. Bigot et al, Nature Physics, 5, 515 (2009).

длительность

Сверхбыстрое оптическое размагничивание никеля Параметры pump: J.-Y. Bigot et al, Nature Physics,
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.

Слайд 10

Фемтомагнетизм в антиферромагнетиках

Результат: время установления спиновой температуры — 0,3 пс
время вращения

Фемтомагнетизм в антиферромагнетиках Результат: время установления спиновой температуры — 0,3 пс время
L — 5 пс
период волновых колебаний — 10 пс

A. V. Kimel et al, Letters to Nature, 429, 850 (2004).

Параметры pump:

τpulse = 48 фс,
λ = 1200 нм.

Вещество TmFeO3 — двухподрещёточный
антиферромагнетик с переориентацией вектора
антиферромагнетизма.

Слайд 11

Фемтомагнетизм в антиферромагнетиках

(II)

A. V. Kimel et al, Nature, 435, 655 (2005).

Вещество DyFeO3

Фемтомагнетизм в антиферромагнетиках (II) A. V. Kimel et al, Nature, 435, 655
— 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 от
температуры.

Слайд 12

Фемтомагнетизм в антиферромагнетиках

(III)

Результат: Эффекты наблюдаются не только для циркулярно, но и для

Фемтомагнетизм в антиферромагнетиках (III) Результат: Эффекты наблюдаются не только для циркулярно, но
линейно поляризованной накачки.

A. M. Kalashnikova et al, Phys. Rev. Lett., 99, 167505 (2007).

Вещество FeBO3 — двухподрещёточный антиферромагнетик с высокой температурой Нееля TN = 348 K.

Параметры pump:

τpulse = 150 фс, Ф = (1 – 60) мДж/см2,
λ = 1000 нм,
поляризация: циркулярная и линейная

Слайд 13

Сверхбыстрое оптическое перемагничивание

до облучения

после облучения

Распределение намагниченности в плёнке Gd-Fe-Co с перпендикулярной анизотропией:

Сверхбыстрое оптическое перемагничивание до облучения после облучения Распределение намагниченности в плёнке Gd-Fe-Co
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 волны
f = 1 кГц ― частота следования импульсов,
v = 30 мкм/с ― скорость сканирования,
Ф = 11,4 мДж/см2 ― флюэнс накачки.

Слайд 14

Оптическое перемагничивание фемтосекундными импульсами

K. Vahaplar, A. M. Kalashnikova, A. V. Kimel,

Оптическое перемагничивание фемтосекундными импульсами K. 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).

Вещество Gd22Fe74,6Co3,4 — аморфная ферромагнитная плёнка толщиной 20 нм, с наведённой анизотропией.

.

Результат: намагниченность исчезает, затем восстанавливается в направлении, определяемом киральностью накачки.

Слайд 15

Из презентации Р. В. Писарева, ФКС-2010

Из презентации Р. В. Писарева, ФКС-2010

Слайд 16

В чём состоит принципиальное отличие фемтосекундной накачки от наносекундной?

В чём состоит принципиальное отличие фемтосекундной накачки от наносекундной?

Слайд 17

Различие первое – амплитуда

Пример: двухуровневая система

Заселённость верхнего уровня:

Одинаковое влияние на эту систему

Различие первое – амплитуда Пример: двухуровневая система Заселённость верхнего уровня: Одинаковое влияние
10 фемтосекундного и наносекундного импульса будет при условии

Слайд 18

Времена возбуждения S и L порядка десятки fs

Дополнительное взаимодействие с электрическим полем

Времена возбуждения S и L порядка десятки fs Дополнительное взаимодействие с электрическим
накачки

Времена релаксации S и L порядка 10 3 fs

Слайд 19

Динамика спинов под действием мощьной оптической накачки с эффективным магнитным полем Heff

Динамика спинов под действием мощьной оптической накачки с эффективным магнитным полем Heff
= 20 T
и длительностью teff = 250 фс
Численный 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

«Нагрев» до 1000 К это не тепловой, а динамический хаос.

Слайд 20

Различие второе – неопределённость в ширине спектра накачки

Гц.

1. Неопределённость в частоте накачки

Различие второе – неопределённость в ширине спектра накачки Гц. 1. Неопределённость в

фс.

2. Нерезонансность возбуждения

3. Время жизни возбуждённого состояния

4. Релаксация возбуждённого состояния — спонтанное излучение.

(ширина линии).

Слайд 21

Спонтанное излучение

а. Простой пример

ΔN — число возбуждённых атомов,
N — число атомов

L

Спонтанное излучение а. Простой пример ΔN — число возбуждённых атомов, N —
— хранилище исходной оптической когерентности?

Kurkin M.I., Bakulina N.B., Pisarev R.V., Phys. Rev. B, 78, 134430 (2008).

Слайд 22

Проблема стабилизации l

б. Подавление осцилляций l

а. Осцилляции l

Kurkin M.I., Bakulina N.B., Pisarev

Проблема стабилизации l б. Подавление осцилляций l а. Осцилляции l Kurkin M.I.,
R.V., Phys. Rev. B, 78, 134430 (2008).

Слайд 23

Проблема стабилизации l

в. Модели для Vll

г. Решение стационарного уравнения

-

Проблема стабилизации l в. Модели для Vll г. Решение стационарного уравнения -
орбитальный ферромагнетизм
- аналог взаимодействия квадрупольных атомных моментов (переходы m↔−m связаны с передачей углового момента к решётке)

При Ω = ħG решалось уравнение

С начальным условием

Kurkin M.I., Bakulina N.B., Pisarev R.V., Phys. Rev. B, 78, 134430 (2008).

Слайд 24

Спиновая переориентация

Kurkin M.I., Bakulina N.B., Pisarev R.V., Phys. Rev. B, 78, 134430

Спиновая переориентация Kurkin M.I., Bakulina N.B., Pisarev R.V., Phys. Rev. B, 78,
(2008).
М.И. Куркин, Н.Б. Орлова Физика низких температур, 2010, том 36, вып. 8-9, стр. (891-901)

Слайд 25

Различие третье – различная крутизна фронтов импульсов нано- и фемтосекундной накачек

Планируется изучить

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

Слайд 26

Область исследований «фемтомагнетизм» сформировалась в последнее десятилетие.
До сих пор нет единого

Область исследований «фемтомагнетизм» сформировалась в последнее десятилетие. До сих пор нет единого
представления о природе этих явлений.
Имя файла: Фемтомагнетизм-и-сверхбыстрое-оптическое-перемагничивание.pptx
Количество просмотров: 85
Количество скачиваний: 0