ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2017, № 6 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Ориентационные характеристики возбуждения магнитоупругих волн фемтосекундным импульсом света

В.С. Власов1, П.А. Макаров1, В.Г. Шавров2, В.Г. Щеглов2

1 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, Россия
2 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Полный текст (PDF) УДК 537.874; 537.624 EDN ZFHYKN

Аннотация

Рассмотрена вспомогательная задача о падении продольной упругой волны на плоскую границу раздела двух сред с последующим отражением. Рассмотрение выполнено методом преобразования координат с учетом граничных условий. Показано, что при наклонном падении волны вблизи границы раздела присутствуют не только продольные, но и сдвиговые компоненты тензора деформаций. Рассмотрена геометрия возбуждения упругих деформаций на поверхности пленки никеля путем воздействия света фемтосекундного лазера. Приведена схема формирования периодической решетки, создаваемой интерференцией двух лучей света. Рассмотрено распределение упругих напряжений, создаваемых светом в такой решетке за счет теплового воздействия. В такой геометрии получено выражение для плотности энергии магнитоупругого взаимодействия. Выполнен анализ компонент поверхностной и вытекающей упругих волн. Выявлены компоненты тензора деформаций, ответственные за магнитоупругое взаимодействие. Показано, что в схеме эксперимента типа «накачка-зонд» решающую роль в формировании поворота плоскости поляризации света зондирующего лазера играют сдвиговые компоненты тензора деформаций. Из полного выражения для плотности энергии магнитоупругого взаимодействия выделены члены, ответственные за формирование поворота плоскости поляризации зондирующего света. Получена связь между выходной амплитудой сигнала зондирующего лазера и направлением внешнего магнитного поля в плоскости пленки. На примере некоторых вариантов соотношения величин сдвиговых компонент тензора деформаций выявлен резко анизотропный характер такой зависимости. Исследован интервал поворота поля от направления, параллельного интерференционным полосам, до направления, этим полосам перпендикулярного. Показано, что на краях этого интервала зависимость выходного сигнала от направления поля стремится к нулю. При удалении направления поля от краев интервала зависимость возрастает. Внутри интервала в некоторой точке зависимость может иметь провал до нуля.

  • фемтосекундный лазер
  • магнитоупругое взаимодействие
  • метод "накачка-зонд"
Abstract (in English)

The fall of longitudinal elastic wave to flat boundary between two media with subsequent reflection is investigated. The investigation is executed by transformation of coordinates with taking in consideration the boundary conditions. It is shown that by inclined fall of wave near the boundary it is presented not only the longitudinal but also shifted components of deformation tensor. It is investigated the geometry of elastic deformation excitation on the surface of nickel film by femtosecond laser light influence. It is showed the scheme of periodic grating forming which is created by interference of two light rays. It is investigated the elastic strains which are formed in this grating by the thermal influence of light. In this geometry it is found the expression for the density of magnetoelastic interaction energy. It is carried out the analysis of surface and leaky waves components. It is found the components of deformation tensor which are responsible for magnetoelastic interaction. It is shown that in the “pump-probe” scheme the light polarization plane rotation of probe laser is defined by shifted components of deformation tensor. From the whole expression for magnetoelastic energy density it is selected the terms which are responsible for the light polarization plane rotation of probe laser. It is found the connection between the probe light output amplitude and internal magnetic field orientation in film plane. In example of some versions of shift components deformation tensor it is found the sharp anisotropy character of this dependence. It is investigated the interval of field orientation from the direction parallel to interference stripes to the direction for these stripes perpendicular. It is shown that on the edges of this interval the dependence of output signal form field direction goes to zero. When the field direction goes from edges of this interval the output signal increases. Inside of interval may be a point where the input signal is zero.

Для цитирования

Власов В.С., Макаров П.А., Шавров В.Г., Щеглов В.Г. Ориентационные характеристики возбуждения магнитоупругих волн фемтосекундным импульсом света // Журнал радиоэлектроники. – 2017. – № 6.

Литература

  1. Beaurepaire E., Merle J.C., Daunois A., Bigot J.Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel. // Phys. Rev. Lett. 1996. V.76. №22. P.4250-4253.
  2. Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing T. Ultrafast optical manipulation of magnetic order. // Rev. Mod. Phys. 2010. V.82. №3. P.2731-2784.
  3. Every A.G. Measurement of the near-surface elastic properties of solids and thin supported films. // Meas. Sci. Technol. (Measurement Science and Technology). 2002. V.13. P.R21-R39.
  4. Walowski J., Münzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics. // Journ. Appl. Phys. 2016. V.120. №14. P.140901(16).
  5. Bigot J.V., Vomir M. Ultrafast magnetization dynamics of nanostructures. // Ann. Phys. (Berlin). 2013. V.525. №1-2. P.2-30.
  6. Ka Shen, Bauer G.E.W. Laser-induced spatiotemporal dynamics of magnetic films. // Phys. Rev. Lett. 2015. V.115. №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. V.84. №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. V.103. №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. V.92. №2. P.020404(5).
  10. Кабыченков А.Ф. Влияние светового поля на дисперсию магнитодипольных волн в ферромагнетиках. // ЖТФ. 1994. Т.64. №8. С.159-161.
  11. 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.58. №6. С.1093-1098.
  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. V.86. №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. V.90. №9. P.094401(8).
  14. 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.
  15. 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. V.9. №3. P.259-265.
  16. 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. V.94. №2. P.024415(7).
  17. 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. DOI: 10.1038/serp29143. www.nature.com/scientificreports. P.1-10.
  18. 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. V.95. №6. P.060409(5).
  19. 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. metaconferences.org. P.1-2.
  20. Maznev A.A., Every A.G. Time-domain dynamic surface response of an anisotropic elastic solid to an impulsive line force. // Int. J. Engng. Sci. 1997. V.35. №4. P.321-327.
  21. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976.
  22. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука. 1973.
  23. 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.863-874.
  24. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре. // Электронный "Журнал радиоэлектроники". 2013. №2. С.10. http://jre.cplire.ru/jre/feb13/10/text.html.
  25. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре при ферромагнитном резонансе. // РЭ. 2014. Т.59. №5. С.482-497.