ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 7
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.7.7
УДК 537.874; 537.624
ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПРЕЦЕССИИ НАМАГНИЧЕННОСТИ НА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ, СОЗДАВАЕМОЙ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРОМ
В. С. Власов 1, В. Г. Шавров 2, В. И. Щеглов 2
1 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, 167001, Сыктывкар, Октябрьский пр-т, 55
2 Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, 125009, Москва, ул. Моховая, 11-7
Статья поступила в редакцию 6 июля 2021 г
Аннотация. Предметом исследования работы является возбуждение прецессии намагниченности в магнитной пленке, на поверхности которой формируется температурный рельеф, образованный интерференционной картиной, создаваемой предварительно раздвоенным лучом фемтосекундного лазера. Отмечена наблюдаемая в эксперименте зависимость эффективности возбуждения от ориентации магнитного поля, приложенного в плоскости пленки. Основной целью работы является теоретическая интерпретация наблюдаемой ориентационной зависимости. Рассмотрена реализованная в эксперименте схема «накачки-зонда». Представлена общая геометрия задачи, включающая в себя магнитную пленку со сформированной на ее поверхности интерференционной картиной и приложенное в плоскости пленки постоянное поле. Показано, что за счет термического расширения в пленке возбуждаются упругие волны двух типов – поверхностные рэлеевские и вытекающие продольные. Проекции волновых векторов распространяющихся волн на плоскость пленки перпендикулярны полосам интерференционной картины, а ориентация поля может меняться от продольной до поперечной относительно тех же полос. Определены компоненты тензора деформаций рэлеевских и вытекающих волн. Рассмотрена прецессия намагниченности в системе координат, связанной с магнитным полем. С использованием аппарата матриц перехода получены компоненты тензора деформаций в системе, связанной с полем. В рамках линейного приближения в такой системе решена задача о возбуждении прецессии намагниченности упругими деформациями, обусловленными рэлеевской и вытекающей волнами. Определена динамическая компонента прецессирующей намагниченности, обеспечивающая поворот плоскости поляризации света, проходящего по нормали к плоскости пленки. Показано, что угол поворота прямо пропорционален компонентам тензора деформации с учетом резонансного характера зависимости прецессии намагниченности от величины магнитного поля. Получена зависимость поворота поляризации от ориентации поля, приложенного в плоскости пленки. Показано, что при ориентации поля вдоль и поперек полос интерференции поворот плоскости поляризации света отсутствует, а между этими крайними направлениями имеет вид двух максимумов, разделенных глубоким минимумом. Полученные результаты сопоставлены с данными эксперимента, отмечено качественное и в ряде случаев количественное соответствие. Приведены рекомендации для дальнейшего развития работы.
Ключевые слова: фемтосекундный лазер, магнитоупругое взаимодействие, метод «накачка-зонд».
Abstract. The subject of investigation in this work is the excitation of magnetization precession in magnetic film on the surface of which is formed the temperature relief which is formed by interference picture formatted by preliminary divided ray from femtosecond laser. It is mentioned the discovered in experiment the dependence of excitation efficiency from the orientation of magnetic field applied in the plane of film. The main aim of this work is the theoretical interpretation of observed orientation dependence. The realized in experiment scheme “pump-probe” is described. The whole geometry of task is proposed. This geometry includes in oneself the magnetic film with formed in its surface interference picture and applied in the plane of film the constant field. It is shown that by the thermal expansion in the film the elastic waves two types are excited; the surface Rayleigh waves and leaky longitudinal waves. The projections of wave-vectors of propagating waves to plane of film are normal to the strips of interference picture. The orientation of field may change from to longitudinal to transverse from the same strips. The components of deformation tensor of Rayleigh and leaky waves are determined. The precession of magnetization in the coordinate system connected with field is investigated. By using the apparatus of crossing matrixes it is found the components of deformation tensor are determined. In the frame of linear approach in this system the task about excitation of magnetization precession by elastic deformations by Rayleigh and leaky waves is solved. The dynamical component of magnetization precession which ensures the light polarization rotation which passes along the normal to the plane of film is found. It is shown that the angle of rotation is straight proportional to the tensor deformation components with the summarization with the resonance character of precession magnetization dependence from the value of magnetic field. The dependence of polarization rotation from orientation of field which is applied in the plane of film is found. It is shown that by the orientation of field along and across the interference stripes the rotation of polarization plane is absent. Between these extreme orientations the dependence has appearance as two maxima divided by deep minimum. The received results are compared with data of experiment. It is found the quality and in some cases quantity correlation. The recommendations for further development of work are proposed.
Key words: femtosecond laser, magnetoelastic interaction, “pump-probe” method.
Литература
1. Beaurepaire E., Merle J.C., Daunois A., Bigot J.Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel. Phys. Rev. Lett. 1996. Vol.76. No.22. P.4250-4253.
2. Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing T. Ultrafast optical manipulation of magnetic order. Rev. Mod. Phys. 2010. Vol.82. No.3. P.2731-2784.
3. Every A.G. Measurement of the near-surface elastic properties of solids and thin supported films. Measurement Science and Technology. 2002. Vol.13. P.R21-R39.
4. Walowski J., Münzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics. Journ. Appl. Phys. 2016. Vol.120. No.14. P.140901(16).
5. Bigot J.V., Vomir M. Ultrafast magnetization dynamics of nanostructures. Ann. Phys. (Berlin). 2013. Vol.525. No.1-2. P.2-30.
6. Ka Shen, Bauer G.E.W. Laser-induced spatiotemporal dynamics of magnetic films. Phys. Rev. Lett. 2015. Vol.115. No.19. P.197201(5).
7. Linnik T.I., Scherbakov A.V., Yakovlev D.R., Liu X., Furdina J.K., Bayer M. Thery of magnetization precession induced by picosecond strain pulse in ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As. Phys. Rev. B. 2011. Vol.84. No.21. P.214432(11).
8. Jäger J.V., Scherbakov A.V., Linnik T.I., Yakovlev D.R., Wang M., Wadley P., Holy V., Cavill S.A., Akimov A.V., Rushforth A.W., Bayer M. Picosecond inverse magnetostriction in galfenol thin films. Appl. Phys. Lett. 2013. Vol.103. No.3. P.032409(5).
9. Jäger J.V., Scherbakov A.V., Glavin B.A., Salasyuk A.S., Campion R.P., Rushforth A.W., Yakovlev D.R., Akimov A.V., Bayer M. Resonant driving of magnetization precession in a ferromagnetic layer by coherent monochromatic phonons. Phys. Rev. B. 2015. Vol.92. No.2. P.020404(5).
10. Koopmans B., Malinovski G., Dalla Longa F., Steiauf D., Fähnle M., Roth T., Cinchetti M., Aeschlimann M. The paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization reconciled. Nature Materials. Supplementary Information. 2009. P.1-4.
11. Koopmans B., Malinovski G., Dalla Longa F., Steiauf D., Fähnle M., Roth T., Cinchetti M., Aeschlimann M. Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization. Nature Materials. 2010. Vol.9. No.3. P.259-265.
12. Dreher L., Weiler M., Pernpeintner M., Huebl H., Gross R., Brandt M.S., Goennenwein S.T.B. Surface acoustic wave driven ferromagnetic resonance in nickel thin films: theory and experiment. Phys. Rev. B. 2012. Vol.86. No.13. P.134415(13).
13. Thevenard L., Gourdon C., Prieur J.Y., Von Bardeleben H.J., Vincent S., Becerra L., Largeau L., Duquesne J.Y. Surface-acoustic-wave-driven ferromagnetic resonance in (Ga,Mn)(As,P) epilayers. Phys. Rev. B. 2014. Vol.90. No.9. P.094401(8).
14. Кабыченков А.Ф. Влияние светового поля на дисперсию магнитодипольных волн в ферромагнетиках. ЖТФ. 1994. Т.64. №8. С.159-161.
15. Чернов А.И., Кожаев М.А., Ветошко П.М., Додонов Д.В., Прокопов А.Р., Шумилов А.Г., Шапошников А.Н., Бержанский В.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Локальное зондирование магнитных пленок с помощью оптического возбуждения магнитостатических волн. ФТТ. 2016. Т.58ю №6. С.1093-1098.
16. Beaurepaire E., Turner G.M., Harrel S.M., Beard M.C., Bigot J.Y., Schmuttenmaer C.A. Coherent terahertz emission from ferromagnetic films excited by femtosecond laser pulses. Appl. Phys. Lett. 2004. Vol.84. No.18. P.3465-3467.
17. Hilton D.J., Averitt R.D., Meserole C.A., Fisher G.L., Funk D.J., Thompson J.D., Taylor A.J. Terahertz emission via ultrashort-pulse excitation of magnetic metal films. Optics Letters. 2004. Vol.29. No.15. P.1805-1807.
18. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Излучение электромагнитной волны из магнитной пленки при воздействии фемтосекундного импульса света. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.6.14
19. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Электромагнитное излучение при ударном изменении намагниченности под действием фемтосекундного импульса света. ПЖТФ. 2021. Т.47. №11. С.3-5.
20. Janusonis J., Chang C.L., Jansma T., Gatilova A., Vlasov V.S., Lomonosov A.M., Temnov V.V., Tobey R.I. Ultrafast magnetoelastic probing of surface acoustic transients. Phys. Rev. B. 2016. Vol.94. No.2. P.024415(7).
21. Janusonis J., Jansma T., Chang C.L., Liu Q., Gatilova A., Lomonosov A.M., Shalagatskyi V., Pezeril T., Temnov V.V., Tobey R.I. Transient grating spectroscopy in magnetic thin films: simultaneous detection of elastic and magnetic dynamics. Scientific Reports. 2016. Vol.6. Article No.29143. P.1-10. https://www.nature.com/articles/srep29143
22. Chang C.L., Lomonosov A.M., Janusonis J., Vlasov V.S., Temnov V.V., Tobey R.I. Parametric frequency mixing in a magnetoelastically driven linear ferromagnetic oscillator. Phys. Rev. B. 2017. Vol.95. No.6. P.060409(5).
23. Lomonosov A.M., Vlasov V.S., Janusonis J., Chang C.L., Tobey R.I., Pezeril T., Temnov V.V. Magneto-elastic symmetry breaking with surface acoustic wsves. Proceedings of “The 7th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics” (META-16 Malaga-Spain). ISSN 2429-1390. P.1-2. http://metaconferences.org.
24. Власов В.С., Макаров П.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Ориентационные характеристики возбуждения магнитоупругих волн фемтосекундным импульсом света. Власов В.С., Макаров П.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Ориентационные характеристики возбуждения магнитоупругих волн фемтосекундным импульсом света. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. №6. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jun17/5/text.pdf.
25. Власов В.С., Макаров П.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Энергетическая оценка влияния поля на эффективность возбуждения магнитоупругих волн в пленке никеля фемтосекундным лазером. Сборник трудов XXV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва, НИУ МЭИ. 2017. С.207-221.
26. Ландсберг Г.С. Оптика. Москва, Наука. 1976.
27. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика. Москва, Физматгиз. 1962.
28. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. Москва, ОГИЗ Гостехиздат. 1948.
29. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. Москва, Наука. 1973.
30. Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. Москва, Физматлит. 1994.
31. Ле-Кроу Р., Комсток Р. Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнитных диэлектриках. В кн.: У. Мэзон (ред.). Физическая акустика. Т.3Б. Динамика решетки. Москва, Мир. 1968. С.156.
32. Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. Москва, Гос.Изд.физ.-мат.лит. 1960.
33. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Магнитостатические волны в неоднородных полях. Москва, Физматлит. 2016.
34. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Ферромагнитный резонанс в условиях ориентационного перехода. Москва, Физматлит. 2018.
35. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в ферритовой пластине при ферромагнитном резонансе. РЭ. 2009. Т.54. №7. С.863.
36. Звездин А.К., Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. Москва, Наука. 1988.
37. Щеглов В.И. Взаимодействие поверхностных магнитостатических волн с упругими волнами Рэлея в кубических ферромагнетиках. ФТТ. 1972. Т.14. №6. С.1642-1647.
38. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости (Теоретическая физика, т.VII). Москва, Наука. 1965.
39. Малоземов А., Слонзуски Дж. Доменные стенки в материалах с цилиндрическими магнитными доменами. Москва, Мир. 1982.
40. Лисовский Ф.В. Физика цилиндрических магнитных доменов. Москва, Сов.Радио. 1979.
Для цитирования:
Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И Ориентационные характеристики возбуждения прецессии намагниченности на интерференционной решетке, создаваемой фемтосекундным лазером. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №7.