Динамика намагниченности в многослойных структурах TbCo/FeCo под действием фемтосекундного оптического возбуждения

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. 

1. 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. V. 50. № 36. P. 363001 (33 рр.).

2. 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.76.4250

3. Kirilyuk 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.82.2731

4. Stupakiewicz 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.2006.376176

9. Koopmans 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/NMAT2593

10. He 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.110.077203