Лазерно-индуцированная спиновая динамика в пленке железо-иттриевого граната, легированного ионами Si

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.

фотоиндуцированная сверхбыстрая динамика, спинтроника, доменная структура, оптическое управление намагниченностью, фемтосекундное лазерное излучение

1. Kustov 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.201501859

2. Goto 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.24.017635

3. Huang 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/nature22391

4. Liu M., Zhang X. Plasmon-boosted magneto-optics. Nat. Photonics. 2013;7(6):429-430. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.134

5. Баранов 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.2018.11.038486

6. Beaurepaire 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.76.4250

7. Kimel A.V., Li M. Writing magnetic memory with ultrashort light pulses. Nat. Rev. Mater. 2019;4(3):189-200. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0086-3

8. Hansteen 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.95.047402

9. Hansteen 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.73.014421

10. Stupakiewicz 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/nature20807

11. Stupakiewicz 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-w

12. Коваленко В., Колежук Е., Куц П. Фотомагнитная запись информации. Письма в ЖТФ. 1981;7(16):1012-1016.

13. 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.81.214440

14. Koopmans 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/nmat2593

15. van 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.88.227201

16. Kimel 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.63.235201