Основные результаты

I. Сверхбыстрая спиновая динамика в ферромагнетиках, возбуждаемая фемтосекундными лазерными импульсами

  1. Разработан и продемонстрирован новый метод генерации и контроля магнонов (спиновых волн) в магнитных диэлектрических пленках с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Было показано, что 100 фемтосекундные лазерные импульсы, сфокусированные в пятне диаметром около нескольких микрон на прозрачной магнитной пленке, возбуждают в этих пленках спиновые волны. Физический механизм связан с вынужденным комбинационным рассеянием и обратным эффектом Фарадея.
  2. Показано, что периодическое влияние фемтосекундных лазерных импульсов на магнитную пленку позволяет создать магнонное облако со следующими свойствами: возможность настройки частоты; амплитуда спиновых волн может быть значительно увеличена; узкий спектр; амплитуда спиновых волн на расстоянии около 100 мкм от источника практически постоянна, а также продемонстирована направленность волн.
  3. Разработка нового подхода для регулировки длины волны спиновых волн, создаваемых последовательностью фемтосекундных импульсов. Мы запустили спиновые волны с помощью последовательности лазерных импульсов с интервалами, значительно меньшими по времени, чем релаксация осцилляций намагниченности. Это привело к кумулятивному явлению и позволило генерировать магноны в узком диапазоне волновых чисел. Длина волны спиновых волн может быть настроена от 15 мкм до сотен микрон, при изменении внешнего магнитного поля только на 10 Э или небольшим изменением частоты повторения импульсов.
  4. Мы провели переключение между различными типами спиновых волн путем изменения диаметра фемтосекундного лазерного пучка. В частности, мы модифицировали параметры оптических пучков накачки с круговой поляризацией, излучаемых фемтосекундным лазером, для обнаружения поверхностных спиновых волн в тонкой пленке висмут-содержащего феррит-граната. Пучки диаметром более 10 мкм генерируют как поверхностные, так и объемные спиновые волны только с одним спектральным пиком вблизи ферромагнитного резонанса. Напротив, более узкие пучки возбуждают преимущественно поверхностные спиновые волны более высокой частоты, обеспечивая дополнительный пик в спектре спиновых волн. Таким образом, возможны различные интерференционные картины динамики намагничивания.

II. Плазмонно-управляемое взаимодействие и усиление магнитооптических эффектов

  1. Мы предложили, изготовили и продемонстрировали новый наноструктурированный материал - продольно намагниченный плазмонный кристалл, который позволяет эффективно контролировать интенсивность проходящего или отраженного излучения и плазмон-поляритонов с помощью внешнего магнитного поля. Магнитный плазмонный кристалл состоит из однородного слоя ферромагнитного диэлектрика (редкоземельного железо-иттриевого граната с замещением висмута) на немагнитной подложке со слоем благородного металла (золота) на его поверхности, перфорированной периодической системой щелей или отверстий.
  2. Экспериментально продемонстрирован гигантский продольный интенсивностый эффект (~ 25%), возникающий в магнитных плазмонных кристаллах с волноводным слоем, намагниченным в продольной конфигурации, то есть перпендикулярно решетчатым зазорам кристалла и плоскости пленки. Обычно магнитооптика обеспечивает модуляцию интенсивности менее процента, но с плазмонным покрытием нам удалось достичь гораздо более высоких значений.
  3. Был предложен и продемонстрирован ультрачувствительный магнитоплазмонный биосенсор. Изменение показателя преломления среды регистрируется путем наблюдения за изменениями спектра поперечного магнитооптического эффекта Керра. Структура состоит из одномерного фотонного кристалла, покрытого ферромагнитным слоем нанометровой толщины. В этой структуре могут возбуждаться сверхдальние магнитоплазмоны (расстояние распространения более 100 мкм). В дальнем поле это обеспечивает сверх-узкий (0.06°) резонанс в отражении и даже более узкий резонанс (0.02 °) магнитооптического эффекта. Магнитооптический эффект Керра достигает 11%, что позволяет определить предел обнаружения в 10-6 RIU.
  4. Предложены и продемонстрированы магнитоплазмонные квазикристаллы. Мы внедрили новую концепцию получения значительных магнитооптических эффектов в широкополосном диапазоне длин волн с использованием магнитоплазмонных квазикристаллов. Они основаны на золотой решетке, перфорированной с помощью субволновых прорезей, образующих бинарную последовательность Фибоначчи на магнитной диэлектрической пленке. В то время как спектры пропускания периодических и квазипериодических структур весьма схожи, спектры TMOKE демонстрируют значительную разницу. А именно, для квазикристалла магнитооптический отклик намного больше. Это демонстрирует, что TMOKE-спектроскопия является эффективным инструментом для исследования особенностей плазмонных квазикристаллов.
  5. Было достигнуто фотоиндуцированное разграничение Te из нанослоя CdTe в плазмонных кристаллах. Мы демонстрируем эффективную 3,6 ТГц модуляцию света, отраженного от гибридных металлических / полупроводниковых плазмонных кристаллов, вызванных колебаниями решетки в слое элементарного теллура толщиной в несколько нм. Поверхностные плазмоны на границе раздела «золото / полупроводник» обеспечивают локализацию энергии, что приводит к эффективному разграничению Те на границе раздела.
  6. Теоретически описывается поперечный магнитооптический эффект Керра в активных магнитоплазмонных структурах. Показано, что он может быть увеличен оптическим усилением легированного ферромагнетика. Это усиление является резонансным эффектом. Стимулированное излучение легирующих примесей компенсирует потери плазмонных волн и, следовательно, увеличивает добротность магнитоплазмонного резонанса активной наноструктуры по сравнению с пассивной.
  7. Мы изучили плазмон-солитоны Шредингера в нелинейных гетероструктурах Керра с магнитной манипуляцией. В частности, было исследовано распространение поверхностного плазмон-солитона (SPS) в поперечном магнитном поле в гетероструктурах с керровской нелинейностью. Обнаружено влияние магнитооптической невзаимности в уравнении Шредингера. Оценки показывают, что эффект является самым сильным для структуры с двумя границами раздела с магнитной подложкой вблизи резонансной плазмонной частоты.
  8. Влияние поперечного магнитного поля на волноводные моды фотонных кристаллов. Мы показали, что константы распространения волноводных ТМ-мод чувствительны к поперечной намагниченности, а спектр поперечного магнитооптического эффекта Керра имеет резонансные особенности на частотах возбуждения мод. Рассматриваются два типа структур: немагнитный фотонный кристалл с дополнительным магнитным слоем сверху и магнитофотонный кристалл с магнитным слоем в каждом периоде. Мы обнаружили, что магнитооптический эффект отсутствия взаимности выше в первом случае: он имеет величину δ ∼ 10-4.
  9. Была продемонстрирована магнитная доменная стенка, работающая в качестве микромасштабного магнитооптического затвора под действием электрического поля в пленках железо-иттриевого граната. Это представляет собой новую концепцию управления светом с помощью электрического поля, локально примененного к магнитной доменной стенке, играющей роль наноустройства. Мы зарядили металлическую иглу толщиной 15 мкм, чтобы создать сильное неравномерное электрическое поле вблизи доменной стенки в пленке железо-иттриевого граната. Электрическое поле влияет на доменную стенку благодаря флексомагнитоэлектрическому эффекту и вызывает смещение доменной стенки. Результирующее смещение доменной стенки составляет до 1/3 ширины области и позволяет продемонстрировать новый тип управляемого магнитооптического затвора. Поляризованный лазерный луч, сфокусированный на доменной стенке, использовался для демонстрации концепции микромасштабного фарадеевского модулятора. Такой отклик доменной стенки с пространственным масштабом около 10 мкм делает предложенную концепцию очень перспективной для нанофотоники и спинтроники.

III. Ультрачувствительная магнитометрия при комнатной температуре и биосенсоры

  1. Разработан и продемонстрирован высокочувствительный датчик магнитного поля на основе эпитаксиальных пленок феррита-граната для магнитокардиографических измерений. Чувствительность датчика составляет 80 fT/Hz1/2 с потенциально достижимой чувствительностью от 1 fT/Hz1/2 при комнатной температуре. Ключевыми факторами, обеспечивающими такой высокий уровень чувствительности, являются: использование ферромагнитного материала (редкоземельный феррит-гранат) с большой концентрацией обменно-связанных, монокристаллическое качество магнитной пленки и особая форма профиля пленки (изготовленная методом микроструктурированного травления в ортофосфорной кислоте). Мы ожидаем, что за счет дальнейшего совершенствования технологии изготовления пленки, ее состава и правильного формирования профиля в ближайшем будущем мы достигнем чувствительности 10 fT/Hz1/2.
  2. Высокая чувствительность разработанного магнитометра была продемонстрирована путем измерения магнитокардиографического сигнала от малых животных (крыс) и человека. QRS-пик от крыс составлял около 3 пТ, а от сердца человека - 100 пТ. Все основные элементы пиков MCG были записаны с хорошим качеством. Сравнение образцов MCG и ЭКГ здорового сердца показало почти идеальное совпадение временного изменения магнитного поля и компонентов электрического поля параллельно плоскости грудной клетки.
  3. Разработан и продемонстрирован новый магнитооптический датчик магнитного поля на основе магнитоплазмонного кристалла. Новый тип магнитооптического датчика магнитного поля основан на обнаружении ранее исследуемого нашей группой интенсивоностного продольного магнитофотонного эффекта в магнитоплазмонной структуре пленки граната с тонким слоем золота с периодической решеткой. Концепция магнитоплазмонного датчика позволяет получить чувствительность 1 nT/Hz1/2.Потенциально чувствительность предложенного магнитоплазменного датчика может быть значительно улучшена до 100 fT/Hz1/2 с пространственным разрешением около нескольких микрон.
  4. Разработан и продемонстрирован новый векторныймагнитооптический датчик магнитного поля на основе эпитаксиальных пленок феррита-граната с большой кубической анизотропией. Ключевым элементом векторного магнитометра является прозрачная магнитная пленка с большим эффектом Фарадея с кубической кристаллической решеткой. Магнитокристаллическая анизотропия пленки приводит к трехмерной траектории намагниченности пленки, когда намагниченность вращается управляющим магнитным полем. Это делает намагниченность чувствительной ко всем трем компонентам внешнего магнитного поля. Продемонстрированный векторный магнитометр является перспективным для визуализации сверхмалых магнитных полей.