ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 6
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.6.14
УДК 537.874; 537.624
ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ИЗ МАГНИТНОЙ ПЛЕНКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСА СВЕТА
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 16 июня 2020 г.
Аннотация. Рассмотрена задача об излучении электромагнитной волны из магнитной пленки при воздействии короткого импульса света от фемтосекундного лазера. В качестве основного механизма воздействия мощного светового импульса на магнитную среду отмечено резкое повышение ее температуры с соответствующим уменьшением намагниченности. Отмечено, что резкое изменение создаваемого намагниченностью магнитного поля приводит к генерации излучаемой из среды электромагнитной волны. Для интерпретации резкого изменения намагниченности предложена модель встречного ускоренного движения двух магнитных зарядов, имеющих противоположные знаки. Выполнено электродинамическое рассмотрение поставленной задачи. Определено магнитное поле, соответствующее ускоренному движению магнитного заряда. Отмечена его обратная пропорциональность расстоянию до точки наблюдения, что является свидетельством возбуждения распространяющейся электромагнитной волны. Приведено выражение магнитных зарядов через намагниченность, позволяющее определить магнитное поле волны, излучаемой при изменении намагниченности. Рассмотрена динамика изменения температуры магнитной среды при воздействии импульса света от лазера. Показано, что полный процесс изменения температуры состоит из следующих друг за другом процессов нагревания и охлаждения, причем продолжительность нагревания определяется длительностью импульса, а продолжительность охлаждения определяется механизмом отвода тепла в подложку. Показано, что нагревание магнитной пленки происходит значительно быстрее, чем ее охлаждение, так что ускорение движения магнитных зарядов при нагревании значительно превышает таковое при охлаждении. На основе известной зависимости намагниченности от температуры, рассмотрено поведение намагниченности в процессе нагревания и охлаждения при воздействии импульса света. Показано, что при принятых параметрах задачи изменение намагниченности может достигать полутора-двух раз, что хорошо согласуется с экспериментом. Получены спектральные характеристики излучаемых электромагнитных волн. Показано, что спектр излучения как в процессе нагревания, так и охлаждения имеет резко выраженный максимум, при принятых параметрах приходящийся на единицы терагерц. Приведены некоторые рекомендации для наблюдения эффекта излучения в эксперименте и возможного практического использования.
Ключевые слова: излучение электромагнитной волны, ударное изменение намагниченности, магнитный заряд, фемтосекундный лазер,
Abstract. The task about radiation of electromagnetic wave out of magnetic film by the action of short light pulse from femtosecond laser is investigated. As a main mechanism of influence of powerful light pulse to magnetic media we established the sharp rise if its temperature which is accompanied by decreasing of its temperature. We established that sharp changing of magnetic field which is created by magnetization must lead to generation of electromagnetic wave radiation from media. For the explanation of sharp changing of magnetization the model of approaching rapid motion of two magnetic charges having opposite signs is proposed. The electro-dynamical investigation of supplied task is executed. The magnetic field is found which is connected with the rapid motion of magnetic charge. Its opposite proportion to the distance from point of observation is found. It is established that this fact was the evidence of excitation of propagating electromagnetic wave. We found the presentation of magnetic charges through magnetization which may be able to found the magnetic field of wave which is radiated by changing of magnetization. We investigated the dynamic of temperature changing of magnetic media when light pulse from laser is influenced. It is shown that the complete process of temperature change consists of successive heating and cooling processes. In this case the duration of heating is determined by the duration of pulse and the duration of cooling is determined by the mechanism of heat removal to the substrate. It is shown that heating of a magnetic film occurs much faster than its cooling. In this case the acceleration of the movement of magnetic charges during heating significantly exceeds that during cooling. Based on the well-known temperature dependence of magnetization, the behavior of magnetization during heating and cooling under the influence of a light pulse is investigated. It is shown that with the adopted parameters of the task, the change in magnetization can reach one and a half to two times, which is in good agreement with experiment. The spectral characteristics of radiated electromagnetic waves are found. It is shown that the spectrum of radiation bothduring heating and cooling has sharp maximum corresponding to terahertz at the adopted parameters. Some recommendations are given for founding described effect in an experiment and possible practical use.
Key words: radiation of electromagnetic waves, shock changing of magnetization, magnetic charge, femtosecond laser.
Литература
1. Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing T. Ultrafast optical manipulation of magnetic order. // Rev. Mod. Phys. 2010.V ol.82. №3. P.2731-2784.
2. Bigot J.V., Vomir M. Ultrafast magnetization dynamics of nanostructures. // Ann. Phys. (Berlin). 2013. Vol.525. №1-2. P.2-30.
3. Walowski J., Münzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics. // Journ. Appl. Phys. 2016. Vol.120. №14. P.140901(16).
4. 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.
5. Ka Shen, Bauer G.E.W. Laser-induced spatiotemporal dynamics of magnetic films. // Phys. Rev. Lett. 2015. Vol.115. №19. P.197201(5).
6. 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. №3. P.032409(5).
7. 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. №2. P.020404(5).
8. 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. №13. P.134415(13).
9. 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. №9. P.094401(8).
10. 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. №2. P.024415(7).
11. 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. 6:29143. P.1-10. URL: www.nature.com/scientificreports.
12. 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. №6. P.060409(5).
13. 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 waves. // Proceedings of “The 7th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics” (META-16 Malaga-Spain). ISSN 2429-1390. metaconferences.org. P.1-2.
14. Власов В.С., Макаров П.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Ориентационные характеристики возбуждения магнитоупругих волн фемтосекундным импульсом света. // Журнал радиоэлектроники. 2017. №6. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jun17/5/text.pdf.
15. Власов В.С., Макаров П.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Колебания намагниченности в магнитоупругой среде при ударном воздействии упругого смещения. // Журнал радиоэлектроники. 2018. №4. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/apr18/3/text.pdf.
16. Beaurepaire E., Merle J.C., Daunois A., Bigot J.Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel. // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol.76. №22. P.4250-4253.
17. Bigot J.V., Vomir M. Ultrafast magnetization dynamics of nanostructures. // Ann. Phys. (Berlin). 2013. Vol.525. №1-2. P.2.
18. 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.
19. 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. №3. P.259-265. Published online: Nature Materials. Articles. 2009. P.259-265.
20. Вашковский А.В., Зубков В.И., Локк Э.Г., Щеглов В.И. Распространение поверхностных магнитостатических волн в поперечно неоднородных полях подмагничивания. // РЭ. 1993. Т.38. №5. С.818.
21. Вашковский А.В., Локк Э.Г. Диаграммы направленности излучения, возникающего в результате преобразования поверхностных магнитостатических волн в электромагнитные. // РЭ. 1995. Т.40. №7. С.1030.
22. Вашковский А.В., Локк Э.Г. О параметрах диаграмм излучения, возникающего при преобразовании поверхностной магнитостатической волны в электромагнитную. // РЭ. 2004. Т.49. №8. С.966.
23. Зубков В.И., Щеглов В.И. Пространственное распределение излучения электромагнитных волн, сопровождающего распространение поверхностных магнитостатических волн в ферритовой пленке, намагниченной поперечно неоднородным полем. // ПЖТФ. 2000. Т.26. №13. С.106.
24. Зубков В.И., Щеглов В.И. Излучение электромагнитных волн, обусловленное ускорением магнитостатических волн в неоднородно намагниченной ферритовой пленке. // РЭ. 2001. Т.46. №4. С.433.
25. Зубков В.И., Щеглов В.И. Характеристики излучения, возникающего при преобразовании обратных объемных магнитостатических волн в электромагнитные. // ПЖТФ. 2008. Т.34. №22. С.44.
26. Зубков В.И., Щеглов В.И. Характеристики электромагнитного излучения, возникающего при произвольном направлении распространения поверхностных магнитостатических волн в поперечном возрастающем магнитном поле. // РЭ. 2009. Т.54. №9. С.1064.
27. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Магнитостатические и электромагнитные волны в сложных структурах. М.: Физматлит. 2017.
28. Левич В.Г. Курс теоретической физики. Т.1. М.: Наука. 1969.
29. Семенов А.А. Теория электромагнитных волн. М.: Изд.МГУ. 1968.
30 Damon R.W., Eshbach J.R. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab. // J. Phys. Chem. Solids. 1961. Vol.19. N3/4. P.308.
31. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Магнитостатические волны в неоднородных полях. М.: Физматлит. 2016.
32. Малоземов А., Слонзуски Дж. Доменные стенки в материалах с цилиндрическими магнитными доменами. М.: Мир. 1982.
33. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество. М.: Наука. 1977.
34. Степанов В.В. Курс дифференциальных уравнений. М.Л.: ОГИЗ. Гос. изд. техн.-теор. лит. 1945.
35. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука. 1965.
36. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. М.: ОГИЗ Гостехиздат. 1948.
37. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука. 1971.
38. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М.: Диалог. 1998.
39. Смит Р., Джонс Ф., Чесмер Р. Обнаружение и измерение инфракрасного излучения. М.: ИЛ. 1959
40. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Ферромагнитный резонанс в условиях ориентационного перехода. М.: Физматлит. 2018.
41. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Динамика намагниченности в условиях изменения ее ориентации. М.: Физматлит. 2019.
42. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейная динамика установления намагниченности в ферритовой пластине с магнитоупругими свойствами в условиях ориентационного перехода. // РЭ. 2010. Т.55. №6. С.689.
22. Киселев В. Д., Рязанцев О. Н., Данилкин Ф. А., Губинский А. М. Информационные технологии в оборонно-промышленных комплексах России и стран НАТО. – М.: Издательство «Знание», 2017. – 256 с.
Для цитирования:
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