Новости науки 28.05.02. Новый оптический метод исследования магнитных структур

Для создания быстродействующих магнитных устройств необходимо уметь исследовать их свойства с высоким временным и пространственным разрешением. Ученые из Голландии и Бельгии предложили новый, чисто оптический, метод исследования динамики магнитных свойств магнитных структур.

В последнее время большое внимание уделяется развитию такого перспективного направления как спиновая электроника (спинтроника). В отличие от традиционной электроники, оперирующей только с зарядом электрона, спинтроника, как ясно из названия, предполагает работу также и со спиновыми степенями свободы. Очевидно, развитие как перспективных направлений, так и более традиционных, таких как разработка энергонезависимых магнитных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, требует развития новых высокочувствительных методов локального (с микронным и субмикронным разрешением) исследования магнитных свойств создаваемых магнитных структур.

Одной из важных задач является исследование магнитной анизотропии (зависимости намагниченности от кристаллической анизотропии, формы образца и т.д.). Например, создание магнитных запоминающих устройств устройств с высокой плотностью записи требует миниатюризации отдельных кристалликов-битов (чуть подробнее см. новость от 25.09.01 ), что приводит к уменьшению энергетического барьера, разделяющего два стабильных магнитных состояния ("0" и "1"). С уменьшением энергии, необходимой для изменения ориентации магнитного момента кристаллика, возрастает вероятность спонтанного изменения ориентации магнитного момента, что, очевидно, связано с потерей информации. Использование материалов с высокой магнитной анизотропией позволяет получить бо'льшие величины барьера при меньшем размере структурного элемента. Для создания быстродействующих магнитных запоминающих устройств также крайне важно уметь исследовать динамику изменения намагниченности магнитных структур с высоким временным разрешением.

Рис.1. a - схема эксперимента; b - изменение величины проекции магнитного момента на ось z в зависимости от времени; c - стадии процесса возбуждения. Комментарии в тексте.

Группа ученых из Эйндховенского университета и Леувена предолжила чисто оптическую методику локальной характеризации магнитных структур, позволяющую исследовать магнитную анизотропию и динамические свойства магнитных структур [1]. Предлагаемая методика обладает высоким (субпикосекундным) временным разрешением и удобна для характеризации различных магнитных структур. В основе методики генерация когерентных спиновых волн с помощью фемтосекундного лазерного импульса и оптическое же "наблюдение" за изменением намагиченности образца. Спиновые волны - это элементарные возбуждения в магнитоупорядоченной среде (квант спиновых волн называется магноном). Способность спиновых волн распространяться по образцу связана с несинфазной прецессией магнитных моментов отдельных атомов вокруг выделенной оси (в основом состоянии имеет место однородная (синфазная) прецессия). Достаточно длинноволновые спиновые волны можно рассматривать как колебания плотности магнитного момента (намагниченности).

Экспериментальная реализация этой оптической методики, позволяющей проводить локальную характеризацию магнитных структур, изображена на рис.1a. Образец (в описываемых экспериментах - никелевая пленка с толщиной несколько нанометров, нанесенная на кремниевую подложку) помещается между полюсами магнита. С помощью достаточно мощного 100-фемтосекундного лазерного импульса (размер пятна на поверхности образца был порядка 10 мкм) происходит локальный нагрев приповерхностного слоя. Изменение намагниченности тонкой ферромагнитной пленки исследуется с помощью гораздо более слабого тестового импульса, приходящего с задержкой D t: за счет магнитооптического эффекта Керра происходит изменение поляризации отраженного от пленки света (см. рис.1a), пропорциональное намагниченности среды. Меняя задержку между импульсом накачки и тестовым импульсом, исследователи могут наблюдать изменение намагиченности пленки в динамике.

Рис.2. Изменение проекции магнитного момента на ось z со временем для поликристаллической никелевой пленки толщиной 40 нм - sum (наблюдаемая картина представляет собой суперпозицию двух стоячих спиновых волн с частотами w ₀ и w ₁).

Особенность методики в том, что она дает возможность наблюдать изменение не только величины, но и ориентации магнитного момента. Это достигается за счет помещения образца в магнитное поле (в данных экперименитах в отсутствии поля магнитный момент лежит в плоскости пленки), так что результирующий магнитный момент лежит вне плоскости пленки (рис.1c - I), а угол q _c определялся приложенным магнитным полем и магнитной анизотропией пленки. Под действием импульса накачки происходит быстрое уменьшение намагниченности пленки вследствие роста температуры, в результате чего появлялась новая "равновесная" ориентация и магнитный момент начинает прецессировать вокруг новой оси q '_c (рис.1c - IIa и IIb). Тонкая ферромагнитная пленка достаточно быстро (за время порядка 10 пикосекунд) остывает, в результате чего восстанавливается исходная ориентация q _c, но вследствие начального смещения магнитный момент продолжает прецессировать (рис.1c - III). Наблюдая за отраженным тестовым импульсом, ученые могут регистрировать изменение проекции магнитного момента на ось z (затухающие осцилляции для никелевой пленки толщиной 7 нм показаны на рис.1b) и, таким образом, исследовать динамику когерентных спиновых волн.

Помимо исследования когерентных спиновых волн в тонких ферромагнитных пленках, ученые также провели исследования для пленок с толщиной, превышающей глубину проникновения электромагнитного поля в пленку (10 - 15 нм для исследуемых ферромагнитных материалов), что обеспечивает неоднородность возбуждения спинов по толщине пленки. В этом случае отклик структур на оптическое возбуждение существенно отличался (рис.2): он представлял собой суперпозицию двух затухающих колебаний - двух стоячих спиновых волн с частотами w ₀ и w ₁. В то время как w ₀ не зависела от толщины пленки L, w ₁, наоборот, зависела от L (рис.3). Дело в том, что w ₀ естественным образом задается толщиной пленки (см. вставку на рис.3), а w ₀ - частота однородной прецессии. Таким образом, данная методика позволяет ученым, меняя L и, cоответственно, w ₁, исследовать закон дисперсии магнонов.

Рис.3. Зависимость w ₀ и w ₁ от толщины никелевой пленки L. На вставке изображен закон дисперсии магнонов.

Высокая чувствительность методики была продемонстрирована голландско-бельгийской группой на примере полученной с помощью литографии искусственной структуры, содержащей треугольной формы элементы из пермаллоя (Ni₈₀Fe₂₀) с размером порядка 10 мкм. Несмотря на то, что кристаллическая анизотропия для пермаллоя пернебрежимо мала, прецессия наблюдалась и в этом случае - сказывалось влияние магнитной анизотропии, связанной с анизотропией формы образца.

1. M. van Kampen, C.Jozsa, J.T.Kohlepp et al. Phys.Rev.Lett., v.88, 227201 (2002).

перейти к началу страницы