Название:Сверхбыстрая оптически-реконфигурируемая магноника на основе многослойных металлических наноструктур
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления
Ключевые слова:Реконфигурируемая магноника, лазерно-индуцированная спиновая динамика, спиновые волны, спиновые затворы, синтетические антиферромагнетики, РККИ-взаимодействие, перпендикулярная магнитная анизотропия, мандельштам-бриллюэновское рассеяние света, спинтроника
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Калашникова,АМ
Подразделения:
Аннотация Проект направлен на решение актуальной научной проблемы реализации динамически реконфигурируемых структур магноники – направления в современной спинтронике, начавшего формироваться в последние несколько лет. В магнонике перенос спина осуществляется без переноса заряда за счет распространения спиновых волн, или когерентных магнонов, в магнитоупорядоченных структурах. Магноника имеет целый ряд преимуществ перед традиционной электроникой и даже спинтроникой, основаной на спин-поляризованных токах. Среди этих преимуществ - возможность минимизировать тепловые потери, а также появление дополнительных степеней свободы в управлении переносом информации, связанных с со свойствами когерентных магнонов. На современном этапе развития этой области ведутся активные исследования физических основ быстрого и эффективного управления спин-волновыми свойствами элементов магноники, т.е. реконфигурируемых магнонных структур. В основе подходов к управлению лежит чувствительность магнитных параметров материалов, прежде всего ориентации намагниченности и магнитной анизотропии, к внешнему магнитному и электрическому полям, температуре, механическим напряжениям и тд. Используя одно или комбинацию этих воздействий можно изменять дисперсионные характеристики структур и управлять таким образом групповыми и фазовыми скоростями спиновых волн, направлением их распространения и другими параметрами. Одной из основных проблем при создании реконфигурируемых магнонных структур является обеспечение их быстродействия (до ТГц частот), высокой степени локализации воздействия, используемого для перестройки той или иной характеристики магнитного материала. Перспективным подходом к решению этой проблемы является применение фемтомагнитных явлений, т.е. субнаносекундных динамических процессов, инициируемых в магнитоупорядоченных средах за счет воздействия фемтосекундных лазерных импульсов оптического, инфракрасного и терагерцового диапазонов. Глобальной и амбициозной целью проекта является создание фундаментальной базы сверхбыстрой оптически-перестраиваемой магноники на основе фемтомагнитных явлений. Такой подход станет своевременным шагом в развитии бурно развивающегося направления оптически-реконфигурируемой магноники, основанной на применении квазистатической оптической засветки. Использование уникальных особенностей суб-пикосекундного когерентного лазерного воздействия приведет к появлению принципиально нового функционала магнонных сред. Конкретной задачей Проекта является динамическое управление распространением спиновых волн, в частности магнитостатических (МСВ), путем воздействия на магнитные наноструктуры лазерными импульсами. Для этого мы предлагаем совместить несколько комплементарных подходов, позволяющих управлять двумя важнейшими характеристиками спиновых волн в магнитной среде - дисперсией и затуханием. Физическая идея, лежащая в основе Проекта, состоит в том, что многослойные металлические наноструктуры типа спиновых затворов и синтетических антиферромагнетиков предоставляют очень широкие возможности для управления их спин-волновыми характеристиками за счет фемтосекундного лазерного воздействия. Однако эти возможности изучены на настоящий момент лишь частично, и необходимо более полное раскрытие потенциала таких структур. Кроме того, все металлические материалы и структуры, рассматриваемые в Проекте, являются технологичными с точки зрения создания прототипов магнонных структур, и Проект предполагает в том числе поиск оптимальных параметров таких структур для решения глобальной задачи развития оптически-реконфигурируемой магноники. Для решения задач Проекта будут использованы два комплиментарных экспериментальных подхода - мандельштам-бриллюэновская спектроскопия рассеянного света и оптическая методика накачки-зондирования, а также ряд дополнительных методик для подробной характеризации изучаемых структур. Важной особенностью проекта, является то, что предлагаемые подходы к управлению магнитными свойствами металлических структур базируются на фундаментальных механизмах взаимодействия коротких лазерных импульсов и спиновых возбуждений, в магнитных металлах, которые могут работать в ряде случаев также в полупроводниках и диэлектриках. Ожидаемые результаты В результате выполнения Проекта будет получен ряд принципиально новых фундаментальных результатов, демонстрирующих, что подходы фемтомагнетизма могут успешно применяться для сверхбыстрой оптически-реконфигурируемой магноники. Во-первых, будет продемонстрировано возбуждение магнитостатических волн и управление их параметрами фемтосекундными лазерными импульсами в металлических наноструктурах типа “спиновые затворы” и “синтетические антиферромагнетики”, спин-волновые характеристики которых определяются как магнитными свойствами отдельных магнитных элементов так и статической и/или динамической связью между этими элементами. Будет выявлено, как сверхбыстрые лазерно-индуцированные изменения намагниченности, магнитной анизотропии различной природы (магнитокристаллическая, ростовая, интерфейсная и т.д.) и связи различной природы (обменное взаимодействие, спиновый транспорт) между магнитными элементами позволяют эффективно генерировать спиновые волны и управлять ими. Во-вторых, мы впервые изучим влияние динамических и стационарных взаимодействий между магнитными слоями в структурах ферромагнетик/металл/ферромагнетик (ФМ/М/ФМ) типа спиновый затвор и синтетический антиферромагнетик на процессы лазерно-индуцированного возбуждения и распространения магнитостатических волн. Особое внимание будет уделено возможности существенного увеличения длин распространения спиновых волн в таких структурах за счет индуцированного лазерным воздействием особого типа связи - диссипативной. В-третьих, мы планируем реализовать несколько альтернативных подходов к сверхбыстрой перестройке магнонных структур, используя полученные новые результаты по управлению дисперсией и затуханием магнитостатических волн лазерными импульсами. В частности, мы продемонстрируем возможность создавать динамические одномерные магнонные кристаллы в отобранных многослойных структурах. Вторым важным результатом на заключительно этапе будет демонстрация лазерно-индуцированного управления одномерными магнонными кристаллами. Все ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню и представляют большой интерес для научных сообществ, проводящих исследования в области магноники, спиновых волн и фемтомагнетизма. Кроме непосредственно результатов по сверхбыстрому размагничиванию, управлению магнонными структурами и спиновыми волнами, в проекте будет продемонстрирован потенциал для магноники многослойных структур на основе галфенола, спиновых затворов типа “Curie switch”, синтетических антиферромагнетиков с перпендикулярной магнитной анизотропией, расширив тем самым довольно ограниченную базу материалов в этой области. Для развития фемтомагнетизма интерес будут представлять данные по сверхбыстрому размагничиванию в многослойных металлических структурах, где могут проявляться взаимодействия между слоями, влияние границ раздела и т.п. Особо отметим, что расширение возможностей управления спиновыми волнами в металлических наноструктурах на суб-микронных и суб-пикосекундных масштабах даст возможность создавать компактные и быстродействующие элементы магноники, которые будут совместимы с электронными аналогами, а в будущем и заменят их. ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Аннотация результатов, полученных в 2020 году В первый год выполнения проекта научный исследования велись по трем основным направлениям, связанных с изучением и управлением термическими и нетермическими магнонами в многослойных и профилированных материалах на основе ферромагнитных металлов. Объектами исследований были спиновые затворы (Fe,Ga)/Cu/(Fe,Ga), переключатели Кюри Fe/(Fe,Cr)/Fe и синтетический мультиферроик CoFeB/BaTiO3. В спиновых затворах (Fe,Ga)/Cu/(Fe,Ga) может реализовываться интересное физическое явление - возникновение связанных прецессий намагниченности двух ферромагнитных слоев (Fe,Ga) за счет эффекта спиновой накачки. Такие связанные моды прецессии по своим свойствам, например, времени затухания, отличаются от прецессии намагниченности в слоях структуры без этого эффекта. Нами было изучено, может ли эффект спиновой накачки влиять на распространение лазерно-индуцированных спиновых волн в таких спиновых затворах. Путем подробного экспериментальных исследований методами фемтосекундной магнитооптической сканирующей микроскопии и мандельштам-бриллюэновского рассеяния света, а также микромагнитного моделирования мы показали, что спиновая накачка и формирование диссипативной связи между слоями обеспечивает увеличение длины распространения магнитостатической волны, возбуждаемой лазерным импульсом. Особенностью структур типа переключатель Кюри Fe/(Fe,Cr)/Fe является то, что буферный слой (Fe,Cr) имеет относительно низкую температуру перехода в парамагнитное состояние и из-за этого в таких структурах при изменении температуры реализуется изменение типа обменной связи между слоями Fe - от прямого обменного взаимодействия при низких температурах к непрямому РККЙ-типа при высоких. Нами показано, что воздействия фемтосекундного лазерного импульса на такие структуры приводит к возбуждению коллективной прецессии намагниченности слоев Fe, причем механизмом такого возбуждения является сверхбыстрое изменение обменного взаимодействия. Полученные экспериментальные данные позволяют определить, как именно меняется величина и знак обменного взаимодействия. Промежуточные результаты этого исследования представлены на двух международных конференциях, идет работа по построениею модели, объясняющей экспериментальные наблюдения. Все эти результаты создали важную базу для дальнейшего выполнения проекта и достижения его основной цели - реализации сверхбыстрого управления магнонами и магнонными структурами фемтосекундными лазерными импульсами. Кроме того, в первый год проекта выполнено исследование лазерно-инуцированной динамики намагниченности в синтетическом мультиферроике CoFeB/BaTiO3. Синтетический мультиферроик CoFeB/BaTiO3 - это структура, состоящая из слоя сегнетоэлектрика BaTiO3 и тонкой пленки ферромагнитного металла CoFeB. Особенностью такой структуры является то, что магнитная анизотропия в слое CoFeB имеет магнитоупругую природу и направление оси анизотропии однозначно определяется направлением поляризации в сегнетоэлектрике и соответствующим механическим напряжением. Нами было проведено моделирование траекторий движения намагниченности при сверхбыстром размагничивании и уменьшении магнитоупругой анизотропии, индуцированных в такой структуре под воздействием фемтосекундного лазерного импульса. В результате моделирования было, в частности, определено, что при определенных величине и направлении внешнего магнитного поля воздействие фемтосекундного лазерного импульса приводит к переключению намагниченности в одном из режимов: прецессионное переключение или переключение через метастабильное состояние. Переход между этими режимами определяется гильбертовым затуханием CoFeB, а также временами релаксации намагниченности и магнитной анизотропии из лазерно-измененного в равновесное состояние. Сравнение с ранее проведенными экспериментами для такой структуры позволило обнаружить в экспериментальных данных признаки лазерно-индуцированного переключения через метастабильное состояние. На основе полученных данных моделирования, нашедших подтверждение в экспериментах, сделаны предложения по реализации лазерно-индуцированного прецессионного переключения в синтетических мультиферроиках на основе структур ферромагнетик/сегнетоэлектрик. Для такого переключения, с одной стороны, необходима большая величина гильбертова затухания в слое ферромагнетика, чего можно достигнуть в сплавах CoFeB путем подбора их состава и технологии роста. С другой стороны, сегнетоэлектрический или пьезоэлектрический слой задает величину и направление оси магнитоупругой анизотропии, которые можно менять, прикладывая к этому слою электрическое поле. Таким образом, имеется возможность создания “битов”, в которых перезапись информации осуществляется за счет лазерно-индуцированного прецессионного переключения намагниченности. Результаты этой части работ по проекту вошли в статью, опубликованную в журнале Physical Review Applied. Научно-популярное описание данного исследования представлено в новостях об исследованиях, поддержанных РНФ: https://www.rscf.ru/news/physics/sverkhbystryy-pereklyuchatel/, а также в ряде интернет-изданий: https://indicator.ru/physics/shag-k-sozdaniyu-magnitnoi-pamyati-novogo-pokoleniya-23-11-2020.htm https://www.gazeta.ru/science/news/2020/11/18/n_15244567.shtml https://www.kommersant.ru/doc/4574674