Название:	Пространственно-временное профилирование спиновых возбуждений в ферромагнитных наноструктурах
Грантодатель:	Гранты РНФ
Область знаний:	02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:	02-207 - Магнитные явления
Ключевые слова:	магнитные наноструктуры, магноника, фемтомагнетизм, сверхбыстрая магнитоакустика, спиновые волны, нанофотоника
Тип:	исследовательский
Руководитель(и):	Щербаков,АВ
Подразделения:
Код проекта:	16-12-10485

Цель проекта – разработка методов оптического управления коллективными спиновыми возбуждениями с заданными пространственно-временными характеристиками в магнитоупорядоченных средах. Предлагаемый подход основан на оптической генерации прецессии намагниченности с контролируемым пространственным распределением амплитуды и фазы за счет нанометрового профилирования структуры и/или параметров оптического возбуждения. В ходе выполнения проекта будет экспериментально продемонстрирована импульсная оптическая генерация осцилляций намагниченности тонких ферри- и ферромагнитных слоев с заданным спектральным составом, и реализован режим их локализации и/или распространения с нанометровым пространственным разрешением. Результаты проекта должны заложить фундаментальные основы для создания наноразмерных источников высокочастотных осциллирующих магнитных полей и компонентной базы логических устройств, принцип действия которых основан на использовании коллективных спиновых возбуждений для кодирования и передачи информации (магнонной спинтроники).

В проекте предусмотрены два основных направления исследований.

1. Оптическая генерация пространственно-распределенной прецессии намагниченности в магнитострикционных пленках галфенола. В рамках настоящего направления мы будем исследовать сверхбыстрый магнитный и магнитомеханический отклик нанометровых пленок галфенола, металлического сплава железа и галлия с усиленными магнитострикционными свойствами, пространственно-структурированных с нанометровой периодичностью. Ожидается, что фемтосекундный оптический импульс возбуждает в такой пленке связанные магнитоупругие возбуждения, частота и пространственная локализация которых задается пространственным профилем структуры. В результате, мы нацелены на осуществление генерации осциллирующего с частотой 10^8 – 10^10 Гц высокоамплитудного (до 100 мТл) магнитного поля, локализация которого контролируется с нанометровым разрешением внешним магнитным полем. Такой результат позволит приступить к разработке устройств магнитной памяти со случайным доступом и резонансной магнитной томографии с нанометровым разрешением.

2. Селективное оптическое возбуждение суперпозиции магнитостатических спиновых волн в нанометровых пленках железоиттриевого граната. Мы планируем осуществить генерацию спиновых волн (магнонов) с заданными волновыми векторами, частотой, локализацией и их суперпозицию, за счет использования пространственно-распределенного оптического возбуждения ферримагнитных пленок гранатов со слабым затуханием магнитных и упругих возбуждений. Такое пространственное распределение будет достигнуто за счет субмикронной фокусировки лазерных пучков, их интерференционного взаимодействия, а также за счет двумерного распределения на поверхности пленки оптических антенн, обеспечивающих субволновую фокусировку электромагнитного излучения. Такой подход позволит в дальнейшем реализовать полностью оптическое управление пространственно-временной эволюцией коллективных спиновых возбуждений в магнитоупорядоченных наноструктурах.

Оба подхода являются совершенно новыми. Насколько нам известно, оптическая генерация гигагерцового высокоамплитудного переменного магнитного поля в нанометровом масштабе за счет взаимодействия магнитных и локализованных упругих возбуждений не была предложена или апробирована, несмотря на огромный потенциал такого подхода для пространственно-распределенной адресации в устройствах магнитной памяти и магнитной визуализации (томографии) с нанометровым разрешением. Контроль возбуждения и распространения спиновых волн через пространственное профилирование импульсного оптического возбуждения – также новая и неисследованная идея.

Для реализации предложенных подходов мы объединяем в одном исследовании самые современные экспериментальные методы, доступные в нашей лаборатории, с последними достижениями в материаловедении и новейшими технологическими методиками, которые доступны нам за счет сотрудничества с другими научными группами и центрами. Мы будем использовать метод накачка-зондирование для детектирования с субпикосекундным временным разрешением отклика исследуемых структур на сверхбыстрое оптическое возбуждение. Экспериментальная техника, доступная участникам проекта, позволяет реализовать двухцветную схему измерений с лазерными импульсами различных длин волн, настраивать параметры оптического возбуждения в широком диапазоне, а также реализовать субмикронное сканирование пространственного распределения как возбуждающего импульса, так и результирующего сигнала. Плёнки для запланированных исследований будут выращены методами магнетронного напыления и молекулярно-лучевой эпитаксии, в то время как методы ионной и электронной нанолитографии будут использованы для пространственного профилирования с нанометровым разрешением.

В то же время, мы хотим использовать в предлагаемых концепциях фундаментальные физические эффекты, которые хорошо известны в настоящее время, и использовать их на субпикосекундном и субмикронном масштабах. Связь магнитных и упругих возбуждений, используемая нами в рамках первого направления - явление хорошо известное из классических исследований по магнитоакустике. Однако недавно было достигнуто понимание этого явления на пикосекундном временном диапазоне, что привело к возникновению нового направления – сверхбыстрой магнитоакустики. Фемтосекундное оптическое возбуждение спиновых волн в ферримагнитных гранатах, как и селективность возбуждения по волновому вектору в случае пространственно-периодического возбуждения, известны для таких областей, как сверхбыстрый оптомагнетизм и магноника, соответственно. Мы, однако, планируем объединить и расширить эти направления, используя для этой цели последние достижения фотоники, такие, например, как субволновые оптические антенны. Наша основная задача – сочетание в подходах нескольких «горячих» направлений физики твердого тела для достижения новых результатов.

Предлагаемое исследование будет проводиться в Лаборатории физики ферроиков, основанной в ФТИ в 2013 году в рамках Мегагранта Правительства РФ (14.В25.31.0025 «Ферроики и гетероструктуры на их основе для функциональной электроники» 2013-2015). Лаборатория обладает всем необходимым оборудованием и отличается сочетанием в одном коллективе опытных всемирно-известных лидеров в рамках предлагаемых направлений и молодых амбициозных научных сотрудников. Исследования, заявленные в представляемом проекте, являются логичным продолжением работ, ведущихся в лаборатории, но выходят за рамки тематик, финансируемых из средств Мегагранта.

Ожидаемые результаты

Мы разработаем принципиально новый и оригинальный метод оптического управления спиновыми возбуждениями на нанометровом масштабе.

1. Мы продемонстрируем метод генерации осциллирующего магнитного поля с частотами в диапазоне 10^8 – 10^10 Гц и амплитудой в десятки миллитесла с управляемой локализацией на нанометровом масштабе.

2. Будет продемонстрирована локализация и реализованы волноводные эффекты для спиновых волн за счет их связи с механическими (колебательными) модами в магнитных пленках с нанометровым структурированием.

3. Мы осуществим оптическую генерацию заданной суперпозиции спиновых волн в ферримагнитной пленке за счет создания специального профиля оптического возбуждения.

4. Будет оценена возможность использования оптического импульса с модулированным пространственным распределением для создания структур со свойствами динамического магнонного кристалла в нанометровых пленках железоиттриевого граната.

Проблемы, которые будут решены в рамках проекта, находятся на передовом крае фундаментальных и прикладных исследований в физике и технологии конденсированного состояния. Декларируемые результаты приведут к разработке принципиально новых методов контроля пространственно-временной эволюции коллективных спиновых возбуждений в ферромагнетиках. Осциллирующие магнитные поля гигагерцовой частоты и с амплитудой в десятки миллитесла, которые могут быть управляемо локализованы на малой площади, обеспечат возможность развития новых принципов адресации в устройствах магнитной памяти, а также магнитной томографии с нанометровым разрешением для различных объектов, включая биологические системы. Полностью оптическое возбуждение заданной суперпозиции спиновых волн внутри нанометрового магнитного слоя должно обеспечить возможность кодирования и передачи информации через коллективные спиновые состояния.