Свет и магнитные вещества: от эффекта Фарадея к сверхбыстрой оптомагнитной записи

1.

Свет и магнитные вещества:
от эффекта Фарадея
к сверхбыстрой оптомагнитной записи
Александра Калашникова
Лаборатория физики ферроиков
ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН
[email protected]
Вечерняя школа МГТУ им. Ваумана
15 апреля 2019

2.

Магнитные среды
Спин
Sz = ±h/2
Магнитные ионы в твердых средах
Взаимодействие между ионами
отсутствует:
•Парамагнетик
(в диамагнетиках
B
магнитных ионов нет)
Обменное взаимодействие
между ионами:
•Ферромагнетики
…
•Антиферромагнетики
Магнито-упорядоченные среды
1
mi
V
Есть намагниченность
M
N
S
M 0 Нет намагниченности
…
L M1 M 2
2
Антиферромагнитный вектор

3.

Что определяет свойства магнио-упорядоченных сред?
Взаимодействие с внешним магнитным полем
M
U H MH
H
Взаимодействие с решеткой
M
Обменное взаимодействие между спинами
1
M mi
V
U A K cos 2 ...
Магнитокристаллическая
анизотропия
U E J ijm i m j
Магнитный порядок:
•ферромагнитный
•антиферромагнитный
•ферримагнитный
3

4.

Магнитная запись: плотность, скорость, эффективность?
•Плотность записи: уменьшение размера одного бита
Проблема стабильности намагниченности
в малом объеме (суперпарамагнитный предел)
Hard-drive
~1 нс
KV
Необходимо:
To
N
S
S
N
“0”
“1”
Нужен импульс магнитного поля, достаточный,
чтобы превзойти сильную магнитную анизотропию
Heat (by laser) Assisted Magnetic Recording
увеличение плотности записи
за счет лазерного нагрева
4

5.

Магнитная запись: плотность, скорость, эффективность?
Hard-drive
To
N
S
S
N
“0”
“1”
Heat (by laser) Assisted Magnetic Recording
(Seagate, скоро на рынке?)
5

6.

Магнитная запись: плотность, скорость, эффективность?
N
S
S
N
“0”
“1”
1 бит
1 нс
0.1 нДж
KV
Скорость
или
Низкие
тепловые потери
5% потребляемого электричества
...
Google (The Netherlands)
Hard-drive
Facebook (Sweden)
Data centers
6

7.

Как можно переключить намагниченность?
H
Mx[MxH]
M
M
Ω=γH
[MxH]
Уравнение Ландау-Лифшица
H
Наносекунды
Возьмем лазер на свободных электронах…
H
M
Несколько Тесла; 2.3 пс
@ Stanford
“No matter how short and strong
the magnetic-field pulse,
magnetic recording cannot be made ever faster”
[I. Tudosa et al., Nature (2004);
C. H. Back et al., Science (1999)]
100 пикосекунд!
7

8.

Характерные времена магнитных взаимодействий
Взаимодействие
Внешнее воздействие
H
Магнитное
поле
Спин-решетка
Time
M
Спинполяризованные
токи
Зеймановское
1 ns
100 ps
M
10 ps
Обмен
Сверхбыстрый
магнетизм:
“terra incognita”
1
M mi
V
Лазерный
импульс
1 ps
100 fs
10 fs
1 fs
8

9. Взаимодействие света с магнитной средой

int ij Ei E*j ijk Ei E*j M k ...
Изотропная среда
Намагниченная вдоль z
Диэлектрическая восприимчивость:
Eout
M
Eσ+
Ein
αF
0
Собственные поляризации:
Eσ-
Eσ+
Eσ-
Эффект Фарадея
ˆ
*
E E
xyz M z
0
0
xyz M z
1
E E0
i
Магнитное двулучепреломление:
[M. Faraday, 1845]
n ~ xyz M z
9

10.

Магнитооптические эффекты
int ij Ei E*j ijk Ei E*j M k ijkl Ei E*j M k M l ...
Эффект Фарадея
Eout
Магнитооптические эффекты Керра
M
M
Ein
Ein
F ~ xyz M z
Eout
KP ~ xyz M z
KM ~ zyx M x
Мощное средство для
зондирования магнитной структуры
управления свойствами света

11.

Взаимодействие света с магнитной средой
int ij Ei E*j ijk Ei E*j M k ijkl Ei E*j M k M l ...
Эффект Фарадея
Обрантый эффект Фарадея
Индуцированная светом
M намагниченность
Eout
M
Eσ+
Ein
[M. Faraday, 1845]
n ~ xyz M z
[Pitaevskii, Sov. Phys. JETP 12, 1008 (1961)
van der Ziel PRL. 15, 190 (1965)]
M z ~ xyz E E*
Давайте возьмем короткий импульс и магнитный материал…. 11

12.

Как можно померить очень быстрые изменения
чего-то?
12

13.

Исторический пример
Эдвард Майбридж
1878 год
24 камеры
13

14. Как померить динамику намагниченности, индуцированную фемтосекундным лазерным импульсом?

ОПУ
Линия задержки
Фс-Лазер
Pump
pulse
Probe
pulse
λ/4
Р
А
Образец
Детектор
0
Объектив
Time delay

15.

Magneto-optical spectroscopy setup
with femtosecond temporal resolution @ FerroLab
Femtosecond amplifier
Light Conversion
Pharos SP
1028 nm; 1 mJ; 170 fs
Femtosecond OPA
Light Conversion
Orpheus
620 nm - 2600 nm
130-200 fs
Optical delay line
10 fs – 4 ns
+ temperature 4 К – 400 К
+ magnetic fields up to 2 T
15

16.

Faraday rotation (deg)
Сверхбыстрый обратный эффект Фарадея
Фемтосекундный импульс
лазерно-индуцированного
«магнитного» поля
до нескольких Тесла
0.2
+
H
0.1
H
Heff ~ xyz E E
*
0.0
0
15
DyFeO3
T = 95 K
30
Time delay (ps)
[A. V. Kimel et al., Nature (2005)]
45
60
Сверхбыстрый обратный
эффект Фарадея
Прецессия намагниченности, запускаемая лазерным импульсом!
16

17. Сверхбыстрый оптомагнитные эффекты

int ij Ei E*j i ijk Ei E*j M k ijkl Ei E*j M k M l ...
Эффект Фарадея
Обратный эффект Фарадея
Eout
H
M
Ein
Eσ+
Эффект Котона-Мутона
M
Ein
Обратный эффект Котона-Мутона
Eout
H?
Ein
17

18.

Сверхбыстрый обратный эффект Котона-Мутона
[A. M. Kalashnikova et al., PRL (2007), PRB (2008)]
Управление прецессией намагниченности
линейно-поляризованными лазерными импульсами!
18

19.

Возбуждение прецессии без поглощения?
[D. Bossini et al., PRB (2014)]
19

20.

Микроскопический механизм обратный
магнитооптических эффектов
Стимулированное рамановское
рассеяние на магнонах
Если лазерный импульс короче
периода прецессии
t
excited Spin-Orbit splitting
ħω
ħ(ω-Ω0)
ground
ħ(ω-Ω0)
ħ(ω-Ω0)
0
ħΩ0
ω-Ω0 ω
Импульснове стимулированное раманосвкое рассеяние на магнонах
[A. M. Kalashnikova et al., PRL (2007), PRB (2008);
V. N. Gridnev, PRB (2008)]
20

21.

Сверхбыстрый оптомагнетизм – 1
Сверхбыстрые обратные магнитооптические эффекты:
Возбуждение прецессии намагниченности
Управление начальной фазой прецессии
Без поглощения
Как их усилить?
Как их локализовать?
ОК, но прецессии не достаточно….
21

22.

Сверхбыстрый магнетим в металлах
…
To
Ni
…
…
N
S
S
N
“0”
“1”
Основано на поглощении света
и быстром нагреве электронов
Сверхбыстрое размагничивание
в пленке металла
[E. Beaurepaire et al., PRL (1996)…
Review:
A. Kirilyuk et al., RMP (2010)]
22

23. Оптическое переключение намагниченности: первая демонстрация

Ferrimagnetic metallic alloy GdFeCo
Polarized light
source Quarter wave
plate
Ti:Sapphire
1 KHz
40 fs and 800 nm
FeCo
Microscope
objective
Sample
SiN
CCD
camera
GdFeCo
SiN
AlTi
glass
Analyzer
Gd
σ40 fs
Переключение одиночным
фс-импульсоом!
σ+
M
M
23
[D. Stanciu et al., PRL (2007)]

24.

Оптическое переключение намагниченности
одиночными импульсами
Initial state
State after N pulses
N=1
N=2
N=3
N=4
N=5
40 fs
Как быстро это происходит?
M
M
[T. Ostler et al., Nature Comm. (2012)]
24

25.

Одноимпульсная фемтосекундная фотография
Magneto-optical images with subpicosecond resolution
25

26.

Динамика оптического переключения намагниченности
Before excitation
1 ps
25 ps
38 ps
58 ps
91 ps
40 μm
The write-read time is below 100 ps
Переключение
через размагничивание
[K. Vahaplar et al., PRL (2009); PRB (2012)]
26

27.

Сверхбыстрая динамика спинов
в ферримагнетике GdFeCo
Оптическое возбуждение
Рентгеновское зондирование
430 fs
Gd
H
Fe
140 fs
Переходное
ферромагнитоподобное состояние!
Разная динамика сверхбыстрого
размагничивания в ферримагнетике
[I. Radu et al., Nature (2011)]
27

28.

К пониманию сверхбыстрого оптического переключения
намагниченности
Достаточно быстрого нагрева
электронной системы
Fe
Ферримагнитная связь+
Разная динамика подрешеток
Gd
[T. Ostler et al., Nature Comm. (2012);
J. Mentink et al., PRL (2012)]
28

29.

Что дальше?
поиск различных структур для переключения
RE/TM alloy
RE/TM multilayers
RE/TM multilayers
TM1/TM2 multilayers
[S. Mangin et al., Nature Mater. (2014)]
29

30.

Что дальше?
микронные масштабы
Сплошная пленка
N=1
N=2
N=3
N=4
N=5
2-μm структуры
[T. Ostler et al., Nature Comm. (2012)]
OK, но все еще очень большие размеры!
30

31.

Что дальше?
переключение наноразмерных областей
Поверхностный плазмон-поляритон
Наноантенна на TbFeCo пленке
Фокусировка излучения
за пределами дифракционного предела!
[Tian-Min Liu et al., NanoLetters (2016)]
31

32.

Что дальше?
обойдемся без лазерного импульса…
Если лазерный импульс служит только
«сверхбыстрым нагревателем» для электронов,
то давайте заменим его импульсом тока?
[Y. Yang et al., Science Adv. 3: e1603117 (2017)]
[теория: A. M. Kalashnikova, V. I. Kozub, PRB (2016)]
32

33.

Сверхбыстрый оптомагнетизм – 2
Оптическое переключение намагниченности
в ферримагнитных металлах RE-TM и родственных структурах
Происходит через сильно-неравновесное размагниченное состояние
Основано на сверхбыстром нагреве и разной динамике подрешеток
Позволяет достичь времен записи-считывания ~30 ps
Может быть реализовано в синтетических ферримагнетиках?
Может быть реализовано на микронном и нанометровом масштабе?
Может быть индуцировано коротким импульсом тока?
33

34.

Сверхбыстрый оптомагнетизм: что дальше?
Переключение знака обменного интеграла?
…
…
Ferromagnets
Antiferromagnets
Развитие теорий и численных методов:
термодинамические подходы не работают!
Поиск и конструирование материалов
Сверхбыстрое переключение с минимальным поглощением
Переключение не только лазерным импульсом (ТГц, ИК)…
34

35. Co-authors

Radboud University Nijmegen
K. Vahaplar
D. Bossini
J. Mentink
J. A. de Jong
D. Afanasiev
I. Razdolski
A. V. Kimel
A. Kirilyuk
Th. Rasing
Ioffe Institute
V. N. Gridnev
V. V. Pavlov
L. A. Shelukhin
V. V. Pavlov
R. V. Pisarev
Paul Scherrer Institut
S. El Moussaoui
L. Le Guyader
E. Mengotti
L.J. Heyderman
F. Nolting
Moscow Power
Engineering Institute
A.M. Balbashov
Nihon University
A. Tsukamoto
A. Itoh
The University of York
T.A. Ostler
J. Barker
R.F.L. Evans
R.W. Chantrell
Instituto de Ciencia de Materiales
de Madrid
U. Atxitia
O. Chubykalo-Fesenko
Institute of Magnetism, NASU
B.A. Ivanov
University of Konstanz
S. Gerlach
D. Hinzke
U. Nowak
35

36.

Спасибо за внимание!

37.

Spin reorientation phase transition in REFeO3
c
Fe
MFe2
MFe1
MFe4
b
MFe3
a
Fc
RE
Ga
Fe
Spin reorientation (SR) phase transition
F (T ) K 0 K 2 (T ) f c2 K 4 (T ) f c4
Г2
Г24
Gc
Г4
Gac
Fac
Fa
T1
Fc
Ga
T2
T
37

38.

Laser-induced spin-reorientation phase transition
Laser
pulse
F
Gc
100 fs
Г2
Fa
TmFeO3
+fc
0
-fc
+fc
0
-fc
~5 ps
F
Г4
Г4
Fc
Ga Ga
[A. V. Kimel et al., Nature (2004)]
Controlling the phase transition
by a single laser pulse alone?
Fc
How to lift the degeneracy?
38

39.

Laser-induced magnetization dynamics in (Sm,Pr)FeO3
Г2
<0
0
2
5
15
Δt (ps)
σ+
Gc
Fa
Г24 (+)
L
Gc
Fa
Г24 (-)
20 μm
σ-
Gc
Fa
[J. A. de Jong et al., PRL (2012)]
T=90 К
Ultrafast laser-induced SR transition
controlled by a laser pulse polarization alone!
39

40.

Mechanism of the laser-induced SR transition
Excitation of
nonequilibrium
phonons
Optical excitation
of the Fe3+ electrons
Г2
100 fs
Repopulation
of 4f sublevels of Re3+
Г24
~5-10 ps
40 fs
Change
of the magnetic
anisotropy
How and where the information
about the laser pulse polarization is stored?
40

41.

Control of the laser-induced SR transition
Ultrafast inverse Faraday effect
F
Impulsive excitation of the low amplitude
magnetization precession (<10o)
σ–
F
σ+
Phase of the precession is helicity-dependent
F
Degeneracy between two states
is lifted dynamically
Δt
+fc
0
-fc
41

42.

Control of the SR transition: temperature and fluence
Г24
Г4(+)
Г4 (-)
Г2
Depends on
laser fluence
and
initial sample
temperature
+fc
0
-fc
10
15
20
25
Slow transition
Fast transition
[J. A. de Jong et al., PRL (2012);
J. A. de Jong, PhD thesis]
30
T, K
42

43.

Сверхбыстрый оптомагнетизм – 2
Управление сверхбыстрым лазерно-индуцированным переходом
в диэлектрике REFeO3
Возможно благодаря
• Импульсному возбуждению прецесии
намагниченности
• Пикосекундному нагреву решетки
Фазовая диаграмма такого перехода определяется
• Поляризацией лазерного импульса
• Интенсивностью лазерного импульса
• Начальной температурой образца
ОК, но где же сверхбыстрая оптомагнитная запись?
43

44.

44

45.

Mechanism of the laser-induced SR transition
Excitation of
nonequilibrium
phonons
Optical excitation
of the Fe3+ electrons
Г2
100 fs
Repopulation
of 4f sublevels of Re3+
Г24
~5-10 ps
40 fs
Change
of the magnetic
anisotropy
How and where the information
about the laser pulse polarization is stored?
45

46.

Controlling spin dynamics by laser pulses
All-optical reversal of magnetization
in ferrimagnetic RE-TM metallic alloys
Controlling spin-reorientation phase transition
in a dielectric REFeO3
Controlling coherent and incoherent spin dynamics
by steering the photo-induced energy flow
46

47.

Spin reorientation phase transition in REFeO3
c
Fe
MFe2
MFe1
MFe4
a
b
MFe3
Fc
RE
Ga
Fe
Spin reorientation (SR) phase transition
F (T ) K 0 K 2 (T ) f c2 K 4 (T ) f c4
Г2
Г24
Gc
Г4
Gac
Fac
Fa
T1
Fc
Ga
T2
T
47

48.

Laser-induced spin-reorientation phase transition
Laser
pulse
F
Gc
100 fs
Г2
Fa
TmFeO3
~5 ps
F
Г4
Г4
Fc
Ga
Ga
[A. V. Kimel et al., Nature (2004)]
Fc
+fc
0
-fc
How to lift the degeneracy?
Controlling the phase transition
by a single laser pulse alone?
48

49.

Sample: rare-earth orthoferrite (Sm0.5Pr0.5)FeO3
T=70 K
H
T=180 K
Fс
~Fc
Ga
93 μm
Т1
Т2
Г24
Phase transition at
Г2
Г4
98-130 K
Large Faraday rotation
~20o / 90 μM
49

50.

Laser-induced magnetization dynamics in (Sm,Pr)FeO3
Г2
<0
0
2
5
15
Δt (ps)
σ+
Gc
Fa
Г24 (+)
L
Gc
Fa
20 μm
σ-
Г24 (-)
Gc
Fa
T=90 К
Ultrafast laser-induced SR transition
controlled by a laser pulse polarization alone!
[de Jong et al., PRL (2012)]
50

51.

Mechanism of the laser-induced SR transition
Excitation of
nonequilibrium
phonons
Optical excitation
of the Fe3+ electrons
Г2
100 fs
Repopulation
of 4f sublevels of Re3+
Г24
~5-10 ps
40 fs
Change
of the magnetic
anisotropy
How and where the information
about the laser pulse polarization is stored?
51

52.

Control of the laser-induced SR transition
Ultrafast inverse Faraday effect
F
Impulsive excitation of the low amplitude
magnetization precession (<10o)
σ–
F
σ+
Phase of the precession is helicity-dependent
F
Degeneracy between two states
is lifted dynamically
Δt
+fc
0
-fc
52

53.

Control of the SR transition: temperature and fluence
Г24
Г4(+)
Г4 (-)
Г2
Depends on
laser fluence
and
initial sample
temperature
10
15
Slow transition
+fc
0
-fc
20
25
Fast transition
30
T, K
[de Jong et al., PRL (2012)]
53

54.

Controlling spin dynamics by laser pulses
Controlling spin-reorientation phase transition
in a dielectric REFeO3
Is realized by combining
• impulsive excitation of low-amplitude
coherent spin precession
• picosecond lattice heating
The phase diagram is dependent on
• laser polarization
• laser fluence
• and initial sample temperature
54

55.

Controlling spin dynamics by laser pulses
All-optical reversal of magnetization
in ferrimagnetic RE-TM metallic alloys
Controlling spin-reorientation phase transition
in a dielectric REFeO3
Controlling coherent and incoherent spin dynamics
by steering the photo-induced energy flow
55

56.

On the validity of the Raman mechanism
of the coherent magnon generation
FeBO3
NiO
ReFeO3
Can the optical excitation of spin system be selective?
56

57.

Transparent antiferromangnet KNiF3
K
F
Ni
[D. Bossini et al., submitted]
Approach: tuning the pump wavelength
between transparency windows
and absorption bands
57

58.

Excitation of spin system: regime of finite absorption
Ae
t / d
sin( 2 )
B(1 e
t / r
)
[D. Bossini et al., submitted]
d r
We observe two contributions:
from coherent and incoherent magnons
58

59.

Mechanism of excitation of coherent
and incoherent spin dynamics
[D. Bossini et al., submitted]
Absorption leads to the excitation of noncoherent magnons
mediated by excitation of phonons: excitation is nonselective
59

60.

Excitation of spin system: regime of zero-absorption
B(1 e t / r )
Ae
t / d
sin( 2 )
d r
[D. Bossini et al., submitted]
60

61.

Mechanism of excitation of coherent and incoherent
spin dynamics in a transparent dielectric
!
[D. Bossini et al., submitted]
Selective optical excitation of spins
61

62.

Controlling spin dynamics by laser pulses
Controlling coherent and incoherent spin dynamics
by steering the photo-induced energy flow
ISRS is confirmed to be the mechanism
of coherent magnon generation
We demonstrated two pathways
to excite noncoherent magnons
In a transparent dielectric the ISRS allows
selective excitation of spin system
We formulated the criterion
for the selective excitation regime
62

63. Развитие научных представлений о магнетизме

• 585 г. до н.э. Документальное упоминание о магнетите Fe3O4.
• IV - I в. до н.э. Попытки объяснения магнетизма на основе
атомистической модели. Демокрит, Эпикур, Лукреций.
• 1600 г.
Гилберт “De Magnete”. Земля как гигантский магнит.
• 1820 г.
Гаусс. Вебер. Система СГС. Единица магнитной индукции.
• 1820 г.
Эрстед. Воздействие тока на магнитную стрелку.
• 1820 г.
Ампер. Внутренние токи как причина ферромагнетизма.
• 1845 г.
Фарадей. Впервые произнес слова «магнитное поле».
• 1873 г.
Уравнения Максвелла (единица магнитного потока).
63

64. Магнетизм в 20-м веке - торжество квантовой теории

Нобелевские премии в области магнетизма
1902
H. A. Lorenz, P. Zeeman - Эффект Зеемана.
1920
С. E. Guillaume – Открытие инвара (Fe64Ni36) и элинвара.
1922
N. Bohr - В классической физике магнетизма нет
1932
W. Heisenberg - Обмен как спин-зависимое взаимодействие.
1943
O. Stern – Открытие магнитного момента протона.
1944
I. I. Rabi - Магнитные свойства атомных ядер.
1952
F. Bloch, E. M. Purcell - Открытие ядерного магнитного резонанса.
1955
P. Kusch - Магнитный момент электрона.
1966
A. Kastler - Намагничивание атомов светом.
1970
H. Alfven, L. Néel - Магнитная гидродинамика. Ферриты.
1985
K. von Klitzing - Квантовый эффект Холла.
1994
B. Brockhouse, C. E. Shull - Магнитная нейтронография.
1998
R. B. Laughlin, D. Tsui, H. Stormer. Дробный квантовый эффект Холла.
2003
P. Lauterbur, P. Mansfield - Магнито-резонансная томография.
2007
P. Grünberg, A. Fert – Гигантское магнитосопротивление.
64

65. Магнетизм в России

Э. Х. Ленц– Ректор СПбГУ. Закон Ленца о направлении и силе наведенного тока (1833).
А. Г. Столетов (1839-1896) - Кривая магнитной проницаемости и восприимчивости железа
(кривая Столетова). Основал (1874) физическую лабораторию в МГУ.
Е. К. Завойский (Казань, 1944 ) – Открытие электронного парамагнитного резонанса.
Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Л. П. Питаевский, А. Ф. Андреев, И. Е. Дзялошинский (ИФП)– Теория
магнитных доменов. Уравнение магнитной динамики. Магнитоэлектричество, и др.
П. Л. Капица, А. С. Боровик-Романов (ИФП) – Сильные магнитные поля. Пьезомагнетизм.
Динамика антиферромагнетиков, и др.
А. Д. Сахаров, А. И. Павловский (Саров) – Сверхсильные взрывные поля ~ 20 млн. Эрстед.
С. В. Вонсовский, Ю. А. Изюмов, Е. А. Туров (Урал) – Теория s-d обмена и др.
Г. А. Смоленский (ФТИ) – Новые магнитные материалы, прозрачные ферриты, и др.
Н.С. Акулов, Е.И. Кондорский, К.П. Белов, и др. – Магнетизм в МГУ.
65