mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2019-7-3-50-58mireabulletin-155Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSДинамика намагниченности в многослойных структурах TbCo/FeCo под действием фемтосекундного оптического возбужденияDynamics of Magnetization in Multilayer TbCo / FeCo Structures under the Influence of Femtosecond Optical ExcitationИльинН. А.IlyinN. A.

кандидат физ.-мат. наук, научный сотрудник лаборатории фемтосекундной оптики для нанотехнологий

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Author ID: 18037137700

Ph.D. (Physics and Mathematics), Researcher of the Laboratory of Femtosecond Optics for Nanotechnologies

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454, Russia

Author ID: 18037137700

alexander-nick@bk.ruКлимовА. А.KlimovA. A.

кандидат физ.-мат. наук, доцент, доцент кафедры информационных системы Института кибернетики

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Author ID: 35391085300

Ph.D. (Physics and Mathematics), Docent, Associate Professor of the Chair of Information Systems, Institute of Cybernetics

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454, Russia

Author ID: 35391085300

klimov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7400-4272TiercelinN.TiercelinN.

Charge de Recherche CNRS-HDR,

UMR 8520 – IEMN, 59651 Villeneuve d’Ascq, France.

Author ID: 6603515103

Charge de Recherche CNRS-HDR

UMR 8520 – IEMN, 59651 Villeneuve d’Ascq, France

Author ID: 6603515103

nicolas.tiercelin@univ-lille.frPernodP.PernodP.

CNRS-HDR,

UMR 8520 – IEMN, 59651 Villeneuve d’Ascq, France.

Author ID:7003429648

CNRS-HDR

UMR 8520 – IEMN, 59651 Villeneuve d’Ascq, France

Author ID: 7003429648

philippe.pernod@iemn.univ-lille.frhttps://orcid.org/0000-0003-0387-5016МишинаЕ. Д.MishinaE. D.

доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией фемтосекундной оптики для нанотехнологий

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Author ID:7005350309

D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Laboratory of Femtosecond Optics for Nanotechnologies

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454, Russia

Author ID:7005350309

mishina_elena57@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0003-5054ГапоновМ. С.GaponovM. S.

аспирант кафедры наноэлектроники Физико-технологического института

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

 E-mail: 

Postgraduate Student of the Chair of Nanoelectronics, Institute of Physics and Technology

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454, Russia

gaponov.m.s@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9091-2609БреховК. А.BrekhovK. A.

младший научный сотрудник лаборатории фемтосекундной оптики для нанотехнологий

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Author ID: 55452447100

Junior Researcher of the Laboratory of Femtosecond Optics for Nanotechnologies

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454, Russia

Author ID: 55452447100

brekhov_ka@mail.ruСиговА. С.SigovA. S.

академик РАН, доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой наноэлектроники Физико-технологического института

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78)

Author ID: 35557510600

Academician, D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Chair of Nanoelectronics, Institute of Physics and Technology

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454, Russia

Author ID: 35557510600

sigov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6206-5948ПреображенскийВ. Л.PreobrazhenskyV. L.

доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник

119991, Россия, Москва, ул. Вавилова, д. 38

Author ID: 7004493603

 

D.Sc. (Physics and Mathematics), Chief Researcher

38, Vavilova st., Moscow 119991, Russia

Author ID: 7004493603

preobr@newmail.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationUniversity Lille, CNRS, Centrale Lille, ISEN, Univ. ValenciennesФранцияUniversity Lille, CNRS, Centrale Lille, ISEN, Univ. ValenciennesFranceИнститут общей физики им. А.М. Прохорова РАНРоссияProkhorov General Physics InstituteRussian Federation201907062019735058Copyright © Ильин Н.А., Климов А.А., Tiercelin N., Pernod P., Мишина Е.Д., Гапонов М.С., Брехов К.А., Сигов А.С., Преображенский В.Л., 20192019Ильин Н.А., Климов А.А., Tiercelin N., Pernod P., Мишина Е.Д., Гапонов М.С., Брехов К.А., Сигов А.С., Преображенский В.Л.Ilyin N.A., Klimov A.A., Tiercelin N., Pernod P., Mishina E.D., Gaponov M.S., Brekhov K.A., Sigov A.S., Preobrazhensky V.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/155

Необходимость исследования сверхбыстрых процессов в магнетизме обусловлена перспективами создания сверхбыстрой магнитной записи и сверхбыстрых спинтронных устройств. Для возбуждения магнитной подсистемы, выражающегося в спиновой прецессии, используются фемтосекундные оптические импульсы. В металлах, вследствие значительного оптического поглощения, в первую очередь происходит нагрев материала и значительные джоулевы потери. Важнейшей задачей является поиск материалов, в которых спиновые процессы возбуждаются без нагрева. Очевидными кандидатами являются слабо поглощающие материалы, например, феррит-гранаты. Однако набор таких материалов и спектр их функциональных возможностей ограничен. Целью данной работы является выявление особенностей динамики систем с нетепловыми механизмами возбуждения спиновой прецессии. Такое возбуждение возможно в гетероструктурах ферромагнетик/аниферромагнетик с обменным взаимодействием при условии, что время рекомбинации фотоносителей меньше, чем время диффузии тепла. Исследованы на фемтосекундный оптический импульс ближнего ИК-диапазона многослойные структуры TbCo/FeCo. Проведено сравнение спиновой динамики при направлении волнового вектора возбуждающего импульса вдоль и перпендикулярно оси легкого намагничивания структур (геометрии «легкая ось» и «трудная ось», соответственно). Показано, что в геометрии «легкая ось» определяющим является тепловой механизм взаимодействия, который при воздействии возбуждающего импульса приводит к уменьшению проекции намагниченности на направление распространения пробного луча. В геометрии «трудная ось» на начальном этапе намагниченность разворачивается к магнитному полю, а затем, прецессируя, релаксирует к равновесной угловой ориентации. Такая динамика указывает на быстрое восстановление величины поля одноосной анизотропии после лазерного воздействия. Представленные результаты демонстрируют сверхбыстрое изменение магнитной анизотропии, наведенной в процессе изготовления исследуемой гетероструктуры, что может представлять интерес для оптического управления ориентацией намагниченности. 

The need to study ultrafast processes in magnetism is due to the prospects for creating ultrafast magnetic recording and ultrafast spintronic devices. In order to excite the magnetic subsystem femtosecond optical pulses are used. The excitement is manifested as in spin precession. In metals, the material is heated first due to significant optical absorption, and significant Joule losses occur. The most important task is to search for materials in which spin processes are excited without heating. Obvious candidates are weakly absorbing materials, such as ferrite garnets. However, the range of such materials and the range of their functionality are limited.The purpose of this work is to study the dynamics of systems with nonthermal mechanisms of spin precession excitation. Such excitation is possible in ferromagnetic / antiferromagnetic heterostructures with exchange interaction, provided that the recombination time of photocarriers is shorter than the time of heat diffusion. Multilayer TbCo / FeCo structures of the near IR range were investigated for a femtosecond optical pulse. The spin dynamics are compared with the direction of the wave vector of the exciting pulse along and perpendicular to the axis of easy magnetization of the structures (“easy axis” and “hard axis” geometry, respectively). It is shown that in case of “easy axis” geometry the determinative mechanism is the thermal interaction. When the system is exposed to an excitation pulse, this mechanism leads to a decrease in the projection of magnetization on the direction of propagation of the test beam. In case of “hard axis” geometry, the magnetization turns to the magnetic field at the initial stage. Then it precesses and relaxes to an equilibrium angular orientation. Such dynamics indicate a rapid recovery of the uniaxial anisotropy field after laser irradiation. The presented results demonstrate an ultrafast change in the magnetic anisotropy induced during the fabrication of the heterostructure under study, which may be of interest for optical control of the orientation of the magnetization.

магнитные гетероструктурыоптическое управление намагниченностьюсверхбыстрое размагничиваниесверхбыстрое изменение магнитной анизотропиифемтосекундное лазерное излучениеmagnetic heterostructuresoptical control of magnetizationultrafast demagnetizationultrafast change in magnetic anisotropyfemtosecond laser lightReferencesSander D., Valenzuela S.O., Makarov D., Marrows C.H., Fullerton E.E., Fischer P., McCord J., Vavassori P., Mangin S., Pirro P., Hillebrands B., Kent A.D., Jungwirth T., Gutfleisch O., Kim C.G., Berger A. The 2017 Magnetism Roadmap // J. Phys. D. Appl. Phys. 2017. V. 50. № 36. P. 363001 (33 рр.).Sander D., Valenzuela S.O., Makarov D., Marrows C.H., Fullerton E.E., Fischer P., McCord J., Vavassori P., Mangin S., Pirro P., Hillebrands B., Kent A.D., Jungwirth T., Gutfleisch O., Kim C.G., Berger A. The 2017 Magnetism Roadmap. J. Phys. D. Appl. Phys. 2017; 50(36): 363001 (33 рр.).Beaurepaire E., Merle J.-C., Daunois A., Bigot J.-Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. № 22. P. 4250–4253. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.4250Beaurepaire E., Merle J.-C., Daunois A., Bigot J.-Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel. Phys. Rev. Lett. 1996; 76(22):4250-4253. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.4250Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing T. Ultrafast optical manipulation of magnetic order // Rev. Mod. Phys. 2010. V. 82. № 3. P. 2731–2784. DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.2731Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing T. Ultrafast optical manipulation of magnetic order. Rev. Mod. Phys. 2010; 82(3): 2731-2784. DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.82.2731Stupakiewicz A., Szerenos K., Afanasiev D., Kirilyuk A., Kimel A.V. Ultrafast nonthermal photo-magnetic recording in a transparent medium // Nature. 2017. V. 542. № 7639. P. 71–74.Stupakiewicz A., Szerenos K., Afanasiev D., Kirilyuk A., Kimel A.V. Ultrafast nonthermal photo-magnetic recording in a transparent medium. Nature. 2017; 542(7639): 71-74.Kimel A.V., Kirilyuk A., Tsvetkov A., Pisarev R. V., Rasing T. Laser-induced ultrafast spin reorientation in the antiferromagnet TmFeO3 // Nature. 2004. V. 429. № 6994. P. 850–853. DOI: 10.1038/nature 02659.Kimel A.V., Kirilyuk A., Tsvetkov A., Pisarev R.V., Rasing T. Laser-induced ultrafast spin reorientation in the antiferromagnet TmFeO3. Nature. 2004; 429(6994):850-853. DOI: 10.1038/nature 02659.Kimel A.V., Kirilyuk A., Usachev P.A., Pisarev R. V., Balbashov A.M., Rasing T. Ultrafast non-thermal control of magnetization by instantaneous photomagnetic pulses // Nature. 2005. V. 435. № 7042. P. 655–657. DOI: 10.1038/nature 03564.Kimel A.V., Kirilyuk A., Usachev P.A., Pisarev R.V., Balbashov A.M., Rasing T. Ultrafast non-thermal control of magnetization by instantaneous photomagnetic pulses. Nature. 2005; 435(7042):655-657. DOI: 10.1038/nature 03564.Ma X., Fang F., Li Q., Zhu J., Yang Y., Wu Y.Z., Zhao H.B., Lüpke G. Ultrafast spin exchange-coupling torque via photo-excited charge-transfer processes. // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 1. P. 8800. DOI: 10.1038/ncomms9800.Ma X., Fang F., Li Q., Zhu J., Yang Y., Wu Y.Z., Zhao H.B., Lüpke G. Ultrafast spin exchange-coupling torque via photo-excited charge-transfer processes. Nat. Commun. 2015; 6(1):8800. DOI: 10.1038/ncomms9800.Klimov A., Tiercelin N., Preobrazhensky V., Pernod P. Inhomogeneous spin reorientation transition (SRT) in giant magnetostrictive TbCo2/FeCo multilayers // INTERMAG 2006 – IEEE International Magnetics Conference. 2006. P. 452–452. https://doi.org/10.1109/INTMAG.2006.376176Klimov A., Tiercelin N., Preobrazhensky V., Pernod P. Inhomogeneous spin reorientation transition (SRT) in giant magnetostrictive TbCo2/FeCo multilayers. INTERMAG 2006 – IEEE International Magnetics Conference. 2006; 452-452. https://doi.org/10.1109/INTMAG.2006.376176Koopmans B., Malinowski G., Dalla Longa F., Steiauf D., Fähnle M., Roth T., Cinchetti M., Aeschlimann M. Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization // Nature Materials. 2009. V. 9. № 3. P. 259–265. DOI: 10.1038/NMAT2593Koopmans B., Malinowski G., Dalla Longa F., Steiauf D., Fähnle M., Roth T., Cinchetti M., Aeschlimann M. Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization. Nature Materials. 2009; 9(3):259-265. DOI: 10.1038/NMAT2593He P., Ma X., Zhang J.W., Zhao H.B., Lüpke G., Shi Z., Zhou S.M. Quadratic scaling of intrinsic gilbert damping with spin-orbital coupling in FePdPt films: Experiments and Ab Initio calculations // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. № 7. P. 077203-5. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.077203He P., Ma X., Zhang J.W., Zhao H.B., Lüpke G., Shi Z., Zhou S.M. Quadratic scaling of intrinsic gilbert damping with spin-orbital coupling in FePdPt films: Experiments and Ab Initio calculations. Phys. Rev. Lett. 2013; 110(7):077203-5. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.077203

The authors declare that there are no conflicts of interest present.