| Название: | Фотоиндуцированные спиновые явления в магнитоупорядоченных кристаллах и структурах |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-207 - Магнитные явления |
| Ключевые слова: | фотоиндуцированные спиновые явления, магнитооптика, магнитные поляроны, поляронная динамика, магнитные полупроводники и диэлектрики, оптическая спектроскопия |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Павлов,ВВ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 17-12-01314 |
Данный проект будет направлен на экспериментальное и теоретическое исследование фотоиндуцированных спиновых явлений в различных типах магнитных кристаллов и структур. Фундаментальная задача проекта состоит в выявлении новых механизмов оптического возбуждения магнитных состояний в собственных магнитных полупроводниках, магнитных диэлектриках и низкоразмерных магнитных структурах. Будут изучаться фотовозбужденные электронные состояния, выясняться роль таких состояний в образовании спиновых поляронов с большим магнитным моментом, изучение фотовозбужденных состояний с использованием магнитооптических эффектов Фарадея, Керра и Коттона-Мутона. Будут исследованы динамические свойства магнитных (спиновых) поляронов на временной шкале от десятков фемтосекунд до микросекунд, будет определятся иерархия времен при возбуждении и релаксации таких квазичастиц. В результате проекта ожидается получить новые важные фундаментальные экспериментальные и теоретические результаты, открывающие перспективы использования светового воздействия для эффективного намагничивания среды.
Будут проведены исследования несколько групп магнитоупорядоченных структур:
1. Группа эпитаксиальных и объемных магнитных полупроводников EuO,EuSe,EuTe - материалы, обладающие магнитным порядком при низкой температуре. Материалы являются перспективными для изучения фотоиндуцированных спиновых явлений при световом возбуждении, как постоянным световым излучением, так и короткими лазерными импульсами. Это возможно, например, в EuO, EuSe и EuTe в силу сильной зависимости края фундаментального поглощения от внешнего магнитного поля. Важно отметить, что в EuTe впервые исследованы гигантские фотоиндуцированные магнитные поляроны в EuTe в нашей работе "Photoinduced giant magnetic polarons in EuTe" A. B. Henriques, A. R. Naupa, P. A. Usachev, V. V. Pavlov, et al., направленной в Physical Review B, поскольку работа еще не опубликована, файл приложен к Форме 4.
2. Группа объемных магнитных диэлектриков. В первую очередь будет проведено исследование наиболее перспективных материалов, обладающих хорошо разрешаемой структурой узких линий в спектрах электронных переходов на краю зоны фундаментального поглощения, т.к. это важно для обнаружения новых фотоиндуцированных магнитных и магнитооптических эффектов. (i) метаборат меди CuB2O4 демонстрирует богатое разнообразие уникальных магнитных и оптических свойств, см. например, "Antiferromagnetic dichroism in a complex multisublattice magnetoelectric CuB2O4", K.N. Boldyrev, R.V. Pisarev, L.N. Bezmaternykh, M.N. Popova, PRL 114, 247210 (2015). (ii) антиферромагнетики CoO, NiO, KNiF, обладающие узкими магнитно-дипольными переходами между 3d уровнями ионов металлов в кристаллическом поле, см. например, "Magnetic second harmonic generation in centrosymmetric CoO, NiO, and KNiF3", M. Fiebig, Th. Lottermoser, V.V. Pavlov, R.V. Pisarev, J. Appl.Phys. 93, 6900 (2003). (iii) классический линейный магнетоэлектрик Cr2O3, обладающий антиферромагнитным параметром порядка ниже TN=308 К и демонстрирующий низкоэнергетический узкий резонанс 2Е, соответствующий дипольно запрещенному эл. переходу с переворотом спина (PRB 94, 014430, 2016).
3. Низкоразмерные магнитные структуры. (i) Гранулированные гетероструктуры Co-SiO2/GaAs на основе магнитных наночастиц Co 3-4 нм с толщиной слоя Co-SiO2 40-90 нм, полученные методом ионно-лучевого распыления. Данные материалы обладают уникальными магнитными и магнитооптическими свойствами, например, сверхбольшим магнитосопротивлением ~10x5% в области лавинного пробоя. За счет образования спин-поляризованного интерфейсного слоя в GaAs наблюдается большой эффект усиления фототока в магнитном поле (Effect of magnetic field enhancement of the photocurrent in ferromagnetic metal-dielectric heterostructures SiO2(Co)/GaAs, V.V. Pavlov, L.V. Lutsev, P.A. Usachev, A.A. Astretsov, A.I. Stognij, N.N. Novitskii, R. V. Pisarev, APL 106, 152404, 2015). (ii) Высококачественные тонкопленочные структуры типа металл-диэлектрик на полупроводниковой подложке [Co-TiO2]n/Si с толщинами слоев 2-4 нм, n=10-15. В силу слоистости структуры ожидается сильная анизотропия фотоиндуцированных магнитно-зависимых свойств, (iii) широкозонные полупроводниковые структуры GaN, ZnO, допированные ионами Fe3+ и Fe2+, материалы обладающие достаточно яркой люминесценцией, связанной с состояниями ионов железа (см. например, PRB 74, 165202, 2006).
В проекте будут задействованы имеющиеся у коллектива экспериментальные установки, проведена их существенная модернизация для достижения предельных возможностей по регистрации вышеупомянутых магнитооптических эффектов с использованием современной техники фазового детектирования при модулировании светового потока, а также современных методов оптической накачки и зондирования. Для характеризации образцов будут использованы методы линейной оптической и магнитооптической спектроскопии в широком спектральном диапазоне энергий фотонов 0.65-5.5 эВ.
В заключение, в проекте будет развиваться новая фундаментальная идея использования светового воздействия для эффективного намагничивания среды за счет образования спин-поляронных состояний, связанных как с экситонными возбуждениями, так и неравновесным заселением локализованных долгоживущих состояний на краю зоны фундаментального поглощения в нескольких группах магнитоупорядоченных структур. Возможность такого воздействия уже продемонстрирована нами в работе "Photoinduced giant magnetic polarons in EuTe", PRB 2016. Все это обосновывает актуальность и научную новизну проекта.
Ожидаемые результаты
В проекте будет развита новая фундаментальная идея использования светового воздействия для эффективного намагничивания среды за счет образования спин-поляронных состояний, связанных как с экситонными возбуждениями, так и неравновесным заселением локализованных долгоживущих состояний на краю зоны фундаментального поглощения в нескольких группах магнитоупорядоченных структур. Возможность такого воздействия продемонстрирована в неопубликованной пока работе "Photoinduced giant magnetic polarons in EuTe", PRB 2016. Следует особо отметить, что первое обнаружение магнитных с магнитным моментом ~1000 магнетонов Бора - чрезвычайно важно не только в научном плане, но и для практических приложений. Например, такие квазицастицы могут служить квантовыми битами информации, с возможной оптической манипуляцией. Следует отметить, что магнитные поляроны с с еще большим магнитным моментом ожидаются в полупроводниках EuSe и EuO. Все это несомненно открывает большой масштаб проекта, а так же значение на мировом научном уровне.
Будут исследованы фотоиндуцированные магнитные поляронные состояния в магнитных полупроводниках магнитных диэлектриках и низкоразмерных структурах. Будут изучены такие состояния в зависимости от интенсивности накачки и температуры, будет выяснена квантовая эффективность для оптической генерации магнитных поляронов, выяснена зависимость величины фотоиндуцированного фарадеевского и керровского вращения от магнитного поля, установлен уровень заселенности фотовозбужденных состояний.
Имеющееся в распоряжении коллектива оборудования и созданные на его основе установки в сочетании с приобретенным на средства гранта оборудованием позволят проводить исследования в необходимом спектральном диапазоне, интервале температур и получить высокую чувствительность в измерениях сигналов. Данные методы по многим параметрам находятся на уровне лучших мировых аналогов. Отчетливо показана новизна и высокий научно-технический уровень планируемых результатов и подходов решаемых задач.
Коллектив авторов имеет большой опыт в исследовании магнитоупорядоченных сред линейными и нелинейными магнитооптическими методами, что определяет необходимую компетентность и высокий научный уровень выполнения проекта. Важными моментами в ходе выполнения проекта использование современных экспериментальных методик, тесное взаимодействие между теоретиками и экспериментаторами. Следует отметить комплементарность подходов для решения поставленных задач в рамках проекта.
