Фемтосекундный магнетизм и сверхбыстрое оптическое

Орлова Наталья Борисовна
Фемтомагнетизм и сверхбыстрое
оптическое перемагничивание
План доклада:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Предмет изучения фемтомагнетизма
Времена в магнетизме. Теоретический предел
Теоретическая невозможность фемтомагнетизма
Экспериментальное наблюдение сверхбыстрой
магнитной динамики
Основные теоретические подходы
Наши работы
Фемтомагнетизм –
раздел магнетизма, изучающий влияние
фемтосекундных (10-15с) лазерных импульсов на
магнитное состояние веществ со спиновым
магнитным упорядочением.
G. Zhang, W. Hübner, E. Beaurepaire,
J.-Y. Bigot, Topic Apply Physics, 83,
245, 2002
U. Bovensiepen, Nature, 5, 401 (2009).
Метод накачка-проба (pump-probe)
Основной метод для изучения сверхбыстрых процессов .
Сверхбыстрые процессы (ultrafast processes) – процессы,
характерные времена которых составляют пико- или фемтосекунды
Времена спиновой динамики
M (t )  M 0 exp( is t  t / 2TSR )
M||( t )  M0 (1  exp( t / TSR ))
Амплитуда магнитного поля в мощных лазерный
импульсах порядка 105 Э
2
s   s H 
 (1010  1011 ) c 1 ― частота прецессии,
Ts
Ts  (10 10  10 11 ) c ― период прецессии,
TSR  (10 7  10 9 ) c
― время спин-решёточной релаксации.
Предельное время перемагничивания
2004 год
Абсолютный рекорд по времени
перемагничивания.
Не противоречит теории магнетизма!
2,3 пикосекунды
Из презентации
Р. В. Писарева, ФКС-2010
Первый эксперимент
I0
I1
– сигнал до накачки
– сигнал после накачки
I I 1  I 0

 0.5;
I0
I0
 0  60 fc
I  I 0 e t / 
– длительность накачки
  (100  300) фс – время релаксации
сигнала
Зависимость интенсивности
магнитооптического сигнала Керра
от времени задержки после
импульса накачки Δt (ps)
  Ts , r
E. Beaurepaire et all,
Phys. Rev. Lett. 76, (1996) 4250.
Сверхбыстрое оптическое
размагничивание никеля
Параметры pump:
длительность τpulse = 50 фс,
флюенс Ф = (1 – 10-3) мДж/см2,
λ = 798 нм.
Optic — электрооптический сигнал,
соответствующий возбуждению зарядов.
J.-Y. Bigot et al, Nature Physics, 5,
515 (2009).
Magnetic — магнитооптический сигнал,
соответствующий возбуждению спинов.
Результат: Возбуждение спинов происходит
во время действия pump (50 фс), как и
возбуждение зарядов.
Фемтомагнетизм
в антиферромагнетиках
Вещество TmFeO3 — двухподрещёточный
антиферромагнетик с переориентацией вектора
антиферромагнетизма.
Параметры pump:
τpulse = 48 фс,
λ = 1200 нм.
Результат: время установления спиновой
температуры — 0,3 пс
время вращения L — 5 пс
период волновых колебаний — 10 пс
A. V. Kimel et al, Letters to
Nature, 429, 850 (2004).
Фемтомагнетизм
в антиферромагнетиках
(II)
Вещество DyFeO3 — двухподрещёточный антиферромагнетик с
большим эффектом Фарадея θ = 3 о/см.
Параметры pump:
τpulse = 200 фс,
Ф = 30 мДж/см2,
λ = 1200 нм,
две циркулярные
поляризации.
Результат: 1) нетепловое воздействие
(зависимость от поляризации)
2) частота осцилляций зависит от
температуры.
A. V. Kimel et al, Nature, 435,
655 (2005).
Фемтомагнетизм
в антиферромагнетиках
(III)
Вещество FeBO3 — двухподрещёточный антиферромагнетик с высокой
температурой Нееля TN = 348 K.
A. M. Kalashnikova et al, Phys. Rev. Lett., 99, 167505 (2007).
Параметры pump:
τpulse = 150 фс, Ф = (1 – 60) мДж/см2,
λ = 1000 нм,
поляризация: циркулярная и линейная
Результат: Эффекты наблюдаются не только для
циркулярно, но и для линейно поляризованной
накачки.
Сверхбыстрое оптическое перемагничивание
до облучения
после облучения
Распределение намагниченности в плёнке Gd-Fe-Co с перпендикулярной
анизотропией: до облучения (a), после облучения (b).
Из статьи C. D. Stanciu et al. Phys. Rev. Lett. 99, 047601 (2007).
τpulse = 40 фс ― длительность одного импульса,
λ = 800 нм ― длина волны
f = 1 кГц ― частота следования импульсов,
v = 30 мкм/с ― скорость сканирования,
Ф = 11,4 мДж/см2 ― флюэнс накачки.
Оптическое перемагничивание
фемтосекундными импульсами
K. Vahaplar, A. M. Kalashnikova, A. V. Kimel, D. Hinzke, U. Nowak, R. Chantrell, A. Tsukamoto,
A. Itoh, A. Kirilyuk, Th. Rasing Phys. Rev. Lett., 103, 117201 (2009).
Вещество Gd22Fe74,6Co3,4 — аморфная ферромагнитная плёнка толщиной 20 нм, с наведённой анизотропией.
.
Результат: намагниченность исчезает, затем восстанавливается в направлении,
определяемом киральностью накачки.
Из презентации Р. В. Писарева, ФКС-2010
В чём состоит принципиальное
отличие фемтосекундной
накачки от наносекундной?
Различие первое – амплитуда
Пример: двухуровневая система
Заселённость верхнего уровня:
nex  sin 2 E pulse pulsed 
Одинаковое влияние на эту систему 10 фемтосекундного
и наносекундного импульса будет при условии
femto
nano
E pulse
 105  E pulse
Времена возбуждения S и L порядка десятки fs
Времена релаксации S и L порядка 10 3 fs
Дополнительное взаимодействие с
электрическим полем накачки
Динамика спинов под действием мощьной
оптической накачки с эффективным магнитным
полем Heff = 20 T
и длительностью teff = 250 фс
Численный анализ для объёма 30 nm × 30 × nm × 30 nm
Результат – 3 стадии релаксации:
1-ая стадия – нагрев до температуры T ≈ 1000 K (t = 0,5 пс)
2-ая стадия – остывание до T < TC (t = 10 пс)
3-ая стадия – формирование домена (t = 30 пс).
Направление намагниченности домена зависит от
ориентации Heff
«Нагрев» до 1000 К это не тепловой, а динамический хаос.
Различие второе –
неопределённость в ширине спектра накачки
ΔEτ pulse  
1. Неопределённость в частоте накачки
Δω pulse = 2π
 1,6 1013 Гц.
τ pulse
2. Нерезонансность возбуждения
Δω pulse >> Γ
(ширина линии).
3. Время жизни возбуждённого состояния
Δt  τ pulse
Δt  100 фс.
4. Релаксация возбуждённого состояния — спонтанное
излучение.
Спонтанное излучение
а. Простой пример
m  1
m  1
w  w  w
  w1/ 2ei  1  w1/ 2ei  1 
1
1
 1  2w ei1 0

l   | l z |  w2  w2  0
1/ 2
N
N

L      N   N
2
2

ΔN — число возбуждённых атомов,
N — число атомов
L — хранилище исходной оптической когерентности?
Kurkin M.I., Bakulina N.B., Pisarev R.V., Phys. Rev. B, 78, 134430 (2008).
Проблема стабилизации l
а. Осцилляции l


i
 H
t
 

H n   n n H  Vcf
1
 1  1 
 n   
2
 (t )   1 cos t  1 sin t;   Vcf 
б. Подавление осцилляций l



 
H  Vcf  Vll ; Vll   G  l  l j
j
Kurkin M.I., Bakulina N.B., Pisarev R.V., Phys. Rev. B, 78, 134430 (2008).
Проблема стабилизации l
в. Модели для Vll
- орбитальный ферромагнетизм
- аналог взаимодействия квадрупольных атомных моментов
(переходы m↔−m связаны с передачей углового момента к
решётке)
г. Решение стационарного уравнения





H n  Vcf  Vll  n  En n


При Ω = ħG решалось уравнение i
 H
 t
С начальным условием   | l z |    / 4

l (t )   (t ) | l z | (t )  1,11  0,1cos 2,12t 
Kurkin M.I., Bakulina N.B., Pisarev R.V., Phys. Rev. B, 78, 134430 (2008).
Спиновая переориентация
VS .O .  M L M S ; M L   L L; M S   S S
dM S
dM L
  S [M S , H S ]  R S ;
  L [M L , H L ]  R L
dt
dt
H S  M L ; H L  H cf  M S


1  H SO 
τS 
H 
 cf 
2
2
  S  S 1
  τ L
L  L

2 S
z

M S (t )   M 0 1 
 TS

 
     
 e S  1   2e S  S  

 
 
T
S

 
 
2t
2t
1
Kurkin M.I., Bakulina N.B., Pisarev R.V., Phys. Rev. B, 78, 134430 (2008).
М.И. Куркин, Н.Б. Орлова Физика низких температур, 2010, том 36, вып. 8-9, стр. (891-901)
Различие третье –
различная крутизна фронтов импульсов
нано- и фемтосекундной накачек
Планируется изучить влияние этого
факта на магнитооптические сигналы
от пробных импульсов.
Область исследований
«фемтомагнетизм» сформировалась в
последнее десятилетие.
До сих пор нет единого представления о
природе этих явлений.
Спасибо за внимание!