mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2020-8-1-58-66mireabulletin-202Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSЛазерно-индуцированная спиновая динамика в пленке железо-иттриевого граната, легированного ионами SiLaser-induced spin dynamics in the iron-yttrium garnet film doped with Si ionshttps://orcid.org/0000-0002-6360-3672ОвчаренкоС. В.OvcharenkoS. V.

Овчаренко Сергей Вадимович – аспирант кафедры наноэлектроники Физико - технологического института

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

Sergey V. Ovcharenko – Postgraduate Student of the Department of Nanoelectronics, Institute of Physics and Technology

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454

https://orcid.org/0000-0003-0003-5054ГапоновМ. С.GaponovM. S.

Гапонов Михаил Станиславович – аспирант кафедры наноэлектроники Физико - технологического института

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

Mikhail S. Gaponov – Postgraduate Student of the Department of Nanoelectronics, Institute of Physics and Technology

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454

ИльинН. А.IlyinN. A.

Ильин Никита Александрович – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Физико - технологического института. Author ID: 18037137700

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

Nikita A. Ilyin – Сand. Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Physics, Institute of Physics and Technology. Author ID: 18037137700

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454

ЛогуновМ. В.LogunovM. V.

Логунов Михаил Владимирович – доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник. ResearcherID: J-9486-2013

125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, корп.7

Mikhail V. Logunov – Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Professor, Leading Researcher. ResearcherID: J-9486-2013

125009, Moscow, 11 Mokhovaya St., building 7

https://orcid.org/0000-0002-0979-8085WuAnhuaWuAnhua

Anhua Wu – профессор Центра исследования кристаллов

200050, Шанхай, 1295 Dingxi Rd

Anhua Wu – Professor, Center for Crystal Research

200050, Shanghai, 1295 Dingxi Rd

https://orcid.org/0000-0003-0387-5016МишинаЕ. Д.MishinaE. D.

Мишина Елена Дмитриевна – доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры наноэлектроники Физико - технологического института. ResearcherID: D-6402-2014, Scopus Author ID: 7005350309

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

Elena D. Mishina – Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Nanoelectronics, Institute of Physics and Technology. ResearcherID: D-6402-2014, Scopus Author ID: 7005350309

78, Vernadskogo pr., Moscow 119454

mishina_elena57@mail.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationИнститут радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАНРоссияKotelnikov Institute of Radioengineering & Electronics of Russian Academy of SciencesRussian FederationШанхайский институт керамики, Китайская академия наукКитайInstitute of Ceramics, Shanghai, Chinese Academy of SciencesChina202003032020815866Copyright © Овчаренко С.В., Гапонов М.С., Ильин Н.А., Логунов М.В., Wu A., Мишина Е.Д., 20202020Овчаренко С.В., Гапонов М.С., Ильин Н.А., Логунов М.В., Wu A., Мишина Е.Д.Ovcharenko S.V., Gaponov M.S., Ilyin N.A., Logunov M.V., Wu A., Mishina E.D.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/202

Непрерывный рост объема хранимых и обрабатываемых данных проводит к ужесточению требований к носителям информации. Наиболее распространенная в настоящее время технология хранения информации основана на магнитных материалах, где информации в виде «0» и «1» ставится в соответствие локальное направление намагниченности, определяемое внешним магнитным полем, создаваемым устройством записи. Известно, что данный подход имеет фундаментальное ограничение по скорости записи, которое почти достигнуто. Также ужесточаются требования к энергоэффективности носителей данных. Данные обстоятельства приводят к развитию альтернативных подходов к записи информации. Один из таких подходов был продемонстрирован в области сверхбыстрого оптомагнетизма, которая бурно развивается в последние 20 лет. Этот подход заключается в записи информации короткими оптическими импульсами без приложения внешнего магнитного поля. Однако он требует фундаментальных исследований физических процессов, а также материалов, в которых возможно управление намагниченностью короткими оптическими импульсами. В данной работе рассматривается спиновая динамика в магнитном диэлектрике: пленке железо-иттриевого граната легированного кремнием. Исследования проводились с помощью методики накачки – зондирования на временном диапазоне до 800 нс. Размер пятна составил 30 мкм, длительность оптического импульса 35 фс, плотность мощности излучения накачки около 50 мДж/см2. Показано, что изменение констант магнитокристаллической анизотропии вследствие воздействия на структуру возбуждающим импульсом вызывает долгозатухающую прецессию намагниченности с периодом порядка 200 пс. Получены и проанализированы зависимости амплитуды, фазы и затухания прецессии от величины внешнего магнитного поля в диапазоне до 1.84 кЭ. Изученные процессы могут быть рассмотрены в рамках модели Ландау-Лифшица-Гилберта, и представлять интерес для оптического переключения намагниченности, а также создания различных спинтронных устройств. Показано, что пленки железо-иттриевого граната, легированного кремнием, являются перспективным материалом для магнитных носителей информации на основе сверхбыстрого оптомагнетизма.

A continuous increase in the volume of stored and processed data leads to stricter requirements for storage media. The most common information storage technology is currently based on magnetic materials, where information in the form of "0" and "1" is associated with the local direction of magnetization, determined by the external magnetic field created by the recording device. It is known that this approach has fundamental limitations on the recording speed which is almost achieved. The requirements for energy efficiency of storage media are also being made stricter. These circumstances lead to the development of alternative approaches to recording information. One of these approaches has been demonstrated in the field of ultrafast opto-magnetism, which has been booming over the past 20 years. It consists in recording information with short optical pulses without the application of an external magnetic field. However, it requires fundamental studies of physical processes, as well as materials, in which magnetization can be controlled by short optical pulses. In this paper, we consider the spin dynamics in a magnetic dielectric: a film of iron - yttrium garnet doped with silicon. The studies were carried out using the pump – probe technique over a time range of up to 800 ns. The spot size was 30 μm, the optical pulse duration was 35 fs, and the pump fluence was about 50 mJ/cm2. It is shown that a change in the magnetocrystalline anisotropy constants due to the action of a pump pulse on the structure causes a long-decaying magnetization precession with a period of about 200 ps. The dependences of the amplitude, phase, and decay of the precession on the magnitude of the external magnetic field in the range up to 1.84 kOe were obtained and analyzed. The studied processes can be considered on the basis of the Landau-Lifshitz-Gilbert model, and be of interest for the optical switching of magnetization, as well as the creation of various spintronic devices. It is shown that films of iron-yttrium garnet doped with silicon are a promising material for magnetic information carriers based on ultrafast opto-magnetism.

фотоиндуцированная сверхбыстрая динамикаспинтроникадоменная структураоптическое управление намагниченностьюфемтосекундное лазерное излучениеphotoinduced ultrafast dynamicsspintronicsdomain structureoptical control of magnetizationfemtosecond laser radiationРабота выполнена при поддержке РФФИ (грант № 18-52-53030 ГФЕН_а). Образцы изготовлены М.В. Логуновым, работа поддержана РФФИ (грант № 18-29-27020_мк).ReferencesKustov M., Grechishkin R., Gusev M., Gasanov O., McCord J. A Novel Scheme of Thermographic Microimaging Using Pyro-Magneto-Optical Indicator Films. Adv. Mater. 2015;27(34):5017-5022. https://doi.org/10.1002/adma.201501859Kustov M., Grechishkin R., Gusev M., Gasanov O., McCord J. A Novel Scheme of Thermographic Microimaging Using Pyro-Magneto-Optical Indicator Films. Adv Mater. 2015;27(34):5017–22. https://doi.org/10.1002/adma.201501859Goto T., Morimoto R., Pritchard J.W., Mina M., Takagi H., Nakamura Y., Lim P.B., Taira T., Inoue M. Magneto-optical Q-switching using magnetic garnet film with micro magnetic domains. Opt. Express. 2016;24(16):17635-17643. https://doi.org/10.1364/OE.24.017635Goto T., Morimoto R., Pritchard J.W., Mina M., Takagi H., Nakamura Y., Lim P.B., Taira T., Inoue M. Magneto-optical Q-switching using magnetic garnet film with micro magnetic domains. Opt. Express. 2016;24(16):17635-17643. https://doi.org/10.1364/OE.24.017635Huang B., Clark, G., Navarro-Moratalla E., Klein D., Cheng R., Seyler K.L., Zhong D., Schmidgall E. Layerdependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit. Nature. 2017;546(7657):270-273. https://doi.org/10.1038/nature22391Huang B., Clark, G., Navarro-Moratalla E., Klein D., Cheng R., Seyler K.L., Zhong D., Schmidgall E. Layerdependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit. Nature. 2017;546(7657):270-273. https://doi.org/10.1038/nature22391Liu M., Zhang X. Plasmon-boosted magneto-optics. Nat. Photonics. 2013;7(6):429-430. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.134Liu M., Zhang X. Plasmon-boosted magneto-optics. Nat. Photonics. 2013;7(6):429-430. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.134Баранов П.Г., Калашникова А.М., Козуб В.И., Коренев В.Л., Кусраев Ю.Г., Писарев Р.В., Сапега В.Ф., Акимов И.А., Байер М., Щербаков А.В., Яковлев Д.Р. Спинтроника полупроводниковых, металлических, диэлектрических и гибридных структур» (к 100-летию Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН). Успехи физических наук. 2019;189:849-880. https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.11.038486Baranov P.G., Kalashnikova A.M., Kozub V.I., Korenev V.L., Kusrayev Y.G., Pisarev R.V. et al. Spintronics of semiconductor, metallic, dielectric, and hybrid structures (100th anniversary of the Ioffe Institute). Uspekhi fizicheskikh nauk = Physics-Uspekhi. 2018;189(08):849–880 (in Russ.). https://doi.org/10.3367/UFNe.2018.11.038486Beaurepaire E., Merle J.C., Daunois A., Bigot J.Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel. Phys Rev Lett. 1996;76(22):4250-4253. 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. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.4250Kimel A.V., Li M. Writing magnetic memory with ultrashort light pulses. Nat. Rev. Mater. 2019;4(3):189-200. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0086-3Kimel A.V., Li M. Writing magnetic memory with ultrashort light pulses. Nat. Rev. Mater. 2019;4(3):189-200. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0086-3Hansteen F., Kimel A., Kirilyuk A., Rasing T. Femtosecond photomagnetic switching of spins in ferrimagnetic garnet films. Phys. Rev. Lett. 2005;95(4):1-4. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.047402Hansteen F., Kimel A., Kirilyuk A., Rasing T. Femtosecond photomagnetic switching of spins in ferrimagnetic garnet films. Phys. Rev. Lett. 2005;95(4):1-4. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.047402Hansteen F., Kimel A., Kirilyuk A., Rasing T. Nonthermal ultrafast optical control of the magnetization in garnet films. Phys. Rev. B. 2006;73(1):article № 014421. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.014421Hansteen F., Kimel A., Kirilyuk A., Rasing T. Nonthermal ultrafast optical control of the magnetization in garnet films. Phys. Rev. B. 2006;73(1):014421. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.014421Stupakiewicz A., Szerenos K., Afanasiev D., Kirilyuk A., Kimel A.V. Ultrafast nonthermal photo-magnetic recording in a transparent medium. Nature [Internet]. 2017;542(7639):71-74. https://doi.org/10.1038/nature20807Stupakiewicz A., Szerenos K., Afanasiev D., Kirilyuk A., Kimel A.V. Ultrafast nonthermal photo-magnetic recording in a transparent medium. Nature [Internet]. 2017;542(7639):71-74. https://doi.org/10.1038/nature20807Stupakiewicz A., Szerenos K., Davydova M.D., Zvezdin K.A., Zvezdin A.K., Kirilyuk A. Selection rules for all-optical magnetic recording in iron garnet. Nat. Commun. 2019;10(1):article № 612. https://doi.org/10.1038/s41467019-08458-wStupakiewicz A., Szerenos K., Davydova M.D., Zvezdin K.A., Zvezdin A.K., Kirilyuk A. Selection rules for alloptical magnetic recording in iron garnet. Nat. Commun. 2019;10(1):612. https://doi.org/10.1038/s41467-019-08458-wКоваленко В., Колежук Е., Куц П. Фотомагнитная запись информации. Письма в ЖТФ. 1981;7(16):1012-1016.Kovalenko V., Kolezhuk E., Kuts P. Photomagnetic recording of information. Pis՚ma v ZhTF – Technical Physics Letters. 1981;7(16):1012–1016 (in Russ.).Atoneche F., Kalashnikova A.M., Kimel A.V., Stupakiewicz A., Maziewski A., Kirilyuk A., et al. Large ultrafast photoinduced magnetic anisotropy in a cobalt-substituted yttrium iron garnet. Phys. Rev. B. 2010;81(21):article № 214440. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.214440Atoneche F., Kalashnikova A.M., Kimel A.V., Stupakiewicz A., Maziewski A., Kirilyuk A. Large ultrafast photoinduced magnetic anisotropy in a cobalt-substituted yttrium iron garnet. Phys. Rev. B. 2010;81(21):214440. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.214440Koopmans B., Malinowski G., Dalla Longa F., Steiauf D., Fähnle M., Roth T., et al. Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization. Nat. Mater. 2010;9(3):259-265. https://doi.org/10.1038/nmat2593Koopmans B., Malinowski G., Dalla Longa F., Steiauf D., Fähnle M., Roth T., et al. Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization. Nat. Mater. 2010;9(3):259–65. https://doi.org/10.1038/nmat2593van Kampen M., Jozsa C., Kohlhepp J.T., LeClair P., Lagae L., de Jonge W.J.M., et al. All-Optical Probe of Coherent Spin Waves. Phys. Rev. Lett. 2002;88(22):article № 227201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.227201van Kampen M., Jozsa C., Kohlhepp J.T., LeClair P., Lagae L., de Jonge W.J.M. All-Optical Probe of Coherent Spin Waves. Phys. Rev. Lett. 2002;88(22):227201. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.227201Kimel A.V., Bentivegna F., Gridnev V.N., Pavlov V.V., Pisarev R.V., Rasing T. Room-temperature ultrafast carrier and spin dynamics in GaAs probed by the photoinduced magneto-optical Kerr effect. Phys. Rev. B. 2001;63(23): article № 235201. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.235201Kimel A.V., Bentivegna F., Gridnev V.N., Pavlov V.V., Pisarev R.V., Rasing T. Room-temperature ultrafast carrier and spin dynamics in GaAs probed by the photoinduced magneto-optical Kerr effect. Phys. Rev. B. 2001;63(23):235201. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.235201

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