Способ возбуждения стоячих спиновых волн в наноструктурированных эпитаксиальных плёнках феррит-граната с помощью фемтосекундных лазерных импульсов
METHOD FOR EXCITATION OF STANDING SPIN WAVES IN NANOSTRUCTURED EPITAXIAL FERRITE GARNET FILMS USING FEMTOSECOND LASER PULSES

Изобретение относится к области спинтроники и сверхвысокочастотной (СВЧ) техники, и, в частности, к созданию оптически управляемых фильтров, модуляторов и маршрутизаторов СВЧ-излучения, логических элементов, преобразователей сигналов и т.д. на основе эпитаксиальных пленок феррит-гранатов (ЭПФГ). Данное изобретение позволяет с помощью фемтосекундных лазерных импульсов возбуждать спиновую динамику в виде стоячих спиновых волн (ССВ) в образцах ЭПФГ в локализованной области, сопоставимой с диаметром пятна фокусировки лазерного луча, при этом размер области возбуждения физически ограничивается лишь дифракционным пределом. Изобретение может быть использовано в области спинтроники, магноники и СВЧ-техники, при проектировании квантовых вычислительных устройств и т.д., а также при проведении комплексных лабораторных исследований.
Известно, что в магнито-диэлектрических эпитаксиальных пленках феррит-гранатов под действием фемтосекундных импульсов когерентного лазерного излучения возможно возникновение эффективного магнитного поля, которое приводит к динамическому изменению намагниченности в результате обратного магнитооптического эффекта Фарадея при возбуждении циркулярно-поляризованным излучением [Коваленко В., Нагаев Э.Л. Фотоиндуцированный магнетизм // Успехи физических наук.-1986.-Т. 148.-С. 561-602. Кожаев М.А., Чернов А.И., Савочкин И.В., Кузьмичев А.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Особенности обратного эффекта Фарадея, возникающего в пленках ферритаграната при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами // Письма в ЖЭТФ. - 2016. - Т. 104. - С. 851-855. Van der Ziel J., Pershan P., Malmstrom L. Optically-induced magnetization resulting from the inverse Faraday effect // Physical Review Letters. - 1965. - Vol. 15, no. 5. - P. 190. Hansteen F., Kimel A., Kirilyuk A., Rasing T. Femtosecond photomagnetic switching of spins in ferrimagnetic garnet films // Physical review letters. - 2005. - Vol. 95, no. 4. - P. 047402.], или в результате обратного магнитооптического эффекта Керра, обратного эффекта Коттона-Муттона, а также фотоиндуцированной анизотропии при возбуждении линейно-поляризованным излучением [Hansteen F., Kimel A., Kirilyuk A., Rasing Т. Femtosecond photomagnetic switching of spins in ferrimagnetic garnet films // Physical review letters.-2005.-Vol. 95, no. 4.-  P. 047402. V.I. Belotelov and A.K. Zvezdin, Inverse transverse magneto-optical Kerr effect, Phys. Rev. В 86, 155133 (2012). Yoshimine, I.; Satoh, Т.; Iida, R.; Stupakiewicz, A.; Maziewski, A.; Shimura, T. Phase-Controllable Spin Wave Generation in Iron Garnet by Linearly Polarized Light Pulses. J. Appl. Phys. 2014, 116 (4), 043907. Shen, L.Q.; Zhou, L.F.; Shi, J.Y.; Tang, M; Zheng, Z.; Wu, D.; Zhou, S.M; Chen, L.Y.; Zhao, H.B. Dominant Role of Inverse Cotton-Mouton Effect in Ultrafast Stimulation of Magnetization Precession in Undoped Yttrium Iron Garnet Films by 400-nm Laser Pulses. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2018, 97 (22), 224430.]. Подобное импульсное возбуждение спиновой магнитной подсистемы кристалла в малой ограниченной области пространства приводит к возникновению распространяющихся спиновых волн [Кимель А.В., Звездин А.К. Динамика намагниченности, индуцированная фемтосекундными импульсами света // Физика низких температур. - 2015. - Т. 41. - С. 878-886. Савочкин И.В., Кожаев М.А., Чернов А.И., Кузьмичев А.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Динамика намагниченности, индуцированная фемтосекундными оптическими импульсами в эпитаксиальных пленках феррита-граната вблизи края зоны поглощения // Физика твердого тела. - 2017. - Т. 59. - С. 883-887. Чернов А., Кожаев М., Ветошко П. и др. Локальное зондирование магнитных пленок с помощью оптического возбуждения магнитостатических волн // Физика твердого тела. - 2016. - Т. 58, №6. - С. 1093-1098.]. Если такое магнитное возбуждение окажется замкнутым в пространственно-ограниченном резонаторе, то при определенных условиях возможно возникновение стоячих спиновых колебательных мод.
.
Подобное пространственное ограничение спин-волновой динамики может быть реализовано за счет микро- и наноструктурирования поверхности ЭПФГ в виде одно- и двумерных решеток [Чернов А., Кожаев М., Ветошко П. и др. Локальное зондирование магнитных пленок с помощью оптического возбуждения магнитостатических волн // Физика твердого тела. - 2016. - Т. 58, №6. - С. 1093-1098. A.V. Chumak, А.А. Serga, S. Wolff, В. Hillebrands, М.Р. Kostylev. Design and optimization of one-dimensional ferrite-film based magnonic crystals // Journal of Applied Physics 105, 083906 (2009); https://doi.org/10.1063/1.3098258 L. Halagacka, M. Vanwolleghem, F. Vaurette, J. Ben Youssef, K. Postava, et al.. Magnetoplasmonic nanograting geometry enables optical nonreciprocity sign control. Optics Express, Optical Society of America-OSA Publishing, 2018, 26 (24), pp. 31554.] средствами литографии с последующим травлением. Так подбирая различный период, скважность и глубину травления решеток можно создать условия для эффективного возбуждения стоячих спиновых мод разной частоты и разного порядка (с разным пространственным профилем). Кроме того, амплитуда стоячих спиновых волн может регулироваться за счет изменения параметров внешнего магнитного поля (направление и величина) и оптического источника возбуждения (поляризация, угол падения и длина волны).
Известно достаточно большое количество способов возбуждения стоячих спиновых волн в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов и устройств на их основе, реализующих данные способы. К таким способам возбуждения ССВ можно отнести полосковые антенны и полосковые резонаторы, волноводные резонаторы, коаксиальные ячейки. Для модуляции сигналов, а также выделения узких резонансных частот применяют микроструктурирование.
-1
-1
Известен частотный фильтр СВЧ сигнала на магнитостатических волнах (Патент RU 2666968 С1 МПК Н01Р 1/20 (2006.01), опубл. 13.09.2018, Бюл. №26), содержащий подложку, размещенные на подложке магнитный элемент, выполненный из пленки железоиттриевого граната, пьезоэлектрический элемент с металлическими электродами, образованный на поверхности магнитного элемента, входной и выходной преобразователи магнитостатических волн, отличающийся тем, что магнитный элемент, представляющий собой магнонный кристалл, имеет форму протяженного прямоугольника с заостренными по продольной оси торцами и периодическими геометрическими неоднородностями в форме треугольных элементов, размещенных на противолежащих сторонах прямоугольника, причем период треугольных элементов выбран из условия образования брэгговской запрещенной зоны в диапазоне волновых чисел от 100 см до 300 см; пьезоэлектрический элемент имеет длину, меньшую длины магнитного элемента, а входной и выходной преобразователи магнитостатических волн размещены на свободной поверхности магнитного элемента со стороны заостренных торцов, при этом наружный электрод пьезоэлектрического элемента выполнен сплошным, а электрод, прилегающий к поверхности магнитного элемента, имеет форму встречноштыревого преобразователя с периодом Т, выбранным из условия Т=2Р, где Р - период треугольных элементов.
В данном изобретении магнитостатические волны (стоячие спиновые волны) возбуждаются вдоль всего магнитного элемента с помощью микрополосковых преобразователей.
Общим с заявляемым решением признаком является возможность возбуждения стоячих спиновых волн в пленке феррит-граната.
Недостатком технического решения является принципиальная невозможность локального возбуждения ССВ в малой области образца, поскольку микрополосковые преобразователи (антенны) возбуждают динамику спиновой прецессии магнитной подсистемы во всем образце.
Известен функциональный элемент на магнитостатических спиновых волнах (Патент RU 2617143 C1 МПК Н01Р 1/215 (2006.01), опубл. 21.04.2017, Бюл. №12), содержащий ферромагнитную пленку, размещенную на подложке, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн (МСВ) в базовой ферромагнитной пленке, размещенные по краям пленки, внешний источник магнитного поля, отличающийся тем, что элемент имеет две пары микрополосковых преобразователей, которые образуют два параллельных линейных канала распространения МСВ, разнесенных друг от друга на расстояние, обеспечивающее размещение между указанными каналами резонатора МСВ, взаимодействующего с линейными каналами, каждый линейный канал распространения МСВ выполнен в виде системы одиночных цилиндрических включений из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке и расположенных равномерно по длине канала, а резонатор МСВ представляет собой систему одиночных цилиндрических включений из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке и расположенных равномерно по окружности, причем включения из ферромагнитного материала имеют большую намагниченность, чем базовая ферромагнитная пленка.
В данном изобретении магнитостатические (стоячие) спиновые волны возбуждаются в ферромагнитной пленке с помощью микрополосковых преобразователей, которые образуют два параллельных линейных канала распространения спиновых волн.
Общим с заявляемым решением признаком является возможность возбуждения стоячих спиновых волн не во всем образце пленки феррит-граната, а в некоторых выделенных областях.
Недостатком технического решения является принципиальная невозможность локального возбуждения ССВ в микро- и нанообластях, поскольку микрополосковые преобразователи (антенны) возбуждают динамику спиновой прецессии магнитной подсистемы вдоль всего канала распространения спиновой волны, который занимает практически половину всей пленки.
Известен оптически управляемый переключатель на магнитостатических волнах (Патент RU 2727293 C1 МПК Н01Р 1/11 (2006.01), Н01Р 5/00 (2006.01), опубл. 21.07.2020, Бюл. №21), содержащий управляющий источник света и волноводную структуру, отличающийся тем, что волноводная структура выполнена из пленки железо-иттриевого граната, расположенной на подложке галлий-гадолиниевого граната, и имеет антенны, при этом пленка волноводной структуры выполнена подковообразной с внутренним радиусом скругления, равным ее ширине, а управляющий источник света расположен таким образом, чтобы направление излучения было ориентировано перпендикулярно области скругления пленки, антенны расположены на поверхности пленки железо-иттриевого граната вблизи ее краев, при этом длина антенны кратна ширине пленки.
В данном изобретении магнитостатические (стоячие спиновые) волны возбуждаются в пленке феррит-граната с помощью полосковых антенн, а управление распространением спиновой волны осуществляется при помощи облучения волновода светом от источника (лазера).
Общим с заявляемым решением признаком является возможность возбуждения стоячих спиновых волн в пленке феррит-граната, а также использование лазера в качестве управляющего элемента.
Недостатком технического решения является принципиальная невозможность локального возбуждения ССВ в малой области образца, поскольку полосковые антенны возбуждают динамику спиновой прецессии магнитной подсистемы во всем образце.
Известен функциональный компонент магноники на многослойной ферромагнитной структуре (Патент RU 2702915 C1 МПК Н01Р 1/218 (2006.01), опубл. 14.10.2019, Бюл. №29), содержащий подложку из немагнитного диэлектрика, ферромагнитные слои железо-иттриевого граната (ЖИГ), микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн (МСВ), источник магнитного поля, отличающийся тем, что выполнен в виде многослойной 3D структуры, включающей внешний и внутренний ферромагнитные слои, отделенные друг от друга прослойкой немагнитного вещества и расположенные один над другим, при этом поверхность подложки в сечении имеет форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ, причем внешний и внутренний ферромагнитные слои имеют период, совпадающий с периодом образованных канавками на поверхности подложки выступов, боковых граней и пазов, а магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно к плоскости подложки с возможностью возбуждения в обоих ферромагнитных слоях объемных МСВ.
В данном изобретении магнитостатические (стоячие) спиновые волны возбуждаются в пленке феррит-граната с помощью микрополосковых преобразователей.
Общим с заявляемым решением признаком является возможность возбуждения стоячих спиновых волн в пленке феррит-граната.
Недостатком технического решения является принципиальная невозможность локального возбуждения ССВ в малой области образца, поскольку микрополосковые преобразователи возбуждают динамику спиновой прецессии магнитной подсистемы во всем образце.
В качестве прототипа выбран управляемый электрическим полем функциональный элемент магноники (Патент RU 2745541 С1 МПК Н01Р 1/22 (2006.01), опубл. 26.03.2021, Бюл. №9), содержащий немагнитную подложку, на поверхности которой образована структура, имеющая канавки в форме меандра, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения магнитостатических волн (МСВ), покрытая ферромагнитной пленкой из железо-иттриевого граната, и микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ в ферромагнитной пленке, источник магнитного поля, отличающийся тем, что подложка выполнена из пьезокерамического материала и имеет протяженный прямолинейный участок в форме бруска и V-образное расширение на конце, при этом преобразователь для возбуждения МСВ размещен со стороны прямолинейного участка, а два преобразователя для приема МСВ - на расширенном участке с возможностью ответвления и мультиплексирования входного сигнала, причем канавки в форме меандра размещены на прямолинейном участке со стороны преобразователя для возбуждения МСВ, магнитное поле источника магнитного поля ориентировано параллельно упомянутым продольным осям канавок, а электроды для приложения к подложке управляющего электрического поля размещены на боковых гранях бруска с возможностью пьезомагнитного взаимодействия в структуре для изменения положения и создания дополнительной запрещенной зоны в спектре МСВ.
В данном изобретении магнитостатические (стоячие) спиновые волны возбуждаются в пленке феррит-граната с помощью микрополосковых преобразователей.
Недостатком технического решения является принципиальная невозможность локального возбуждения магнитостатических волн (стоячих спиновых волн) в малой области образца, поскольку микрополосковые преобразователи возбуждают динамику спиновой прецессии магнитной подсистемы во всем образце.
Техническим результатом заявляемого изобретения является существенное повышение эффективности и скорости динамического оптомагнитного управления спиновой динамикой для возбуждения стоячих спиновых волн в магнитных эпитаксиальных пленках феррит-гранатов, возможность перестройки частоты и порядка возбуждаемых ССВ при изменении величины внешнего магнитного поля и параметров возбуждающего излучения, а также принципиальная возможность возбуждения и регистрации ССВ в сверхмалой области образца, сопоставимой с диаметром пятна фокусировки лазерного луча, при этом размер области возбуждения физически ограничивается лишь дифракционным пределом.
Способ возбуждения стоячих спиновых волн в наноструктурированных эпитаксиальных пленках феррит-граната с помощью фемтосекундных лазерных импульсов включает выполнение на поверхности ЭПФГ нанотекстурирования средствами нанолитографии в виде пространственной одномерной решетки, имеющей профиль сечения в виде меандра, помещение образца во внешнее постоянное магнитное поле, облучение поверхности образца фемтосекундными импульсами когерентного линейно-поляризованного лазерного излучения, при этом период, скважность и глубина травления одномерной решетки подбираются в зависимости от требуемой частоты ССВ, а толщина ЭПФГ подбирается так, чтоб травление происходило не до подложки, а часть пленки оставалась на дне канавок травления, период одномерной решетки может изменяться в пределах 400-1000 нм, скважность решетки может изменяться в пределах 200-500 нм, глубина травления может изменяться в пределах 200-500 нм, длина волны возбуждающего излучения может изменяться в пределах 400-1500 нм, длительность импульсов может изменяться в пределах 50-500 фс, частота следования импульсов может изменяться в пределах 0-0.2 ГГц, внешнее постоянное иагнитное поле может изменяться в пределах 5-2000 Э. Регистрация ССВ осуществляется с помощью измерения величины эффекта Фарадея при облучении поверхности образца фемтосекундными лазерными импульсами, имеющими фиксированный сдвиг по времени относительно импульсов возбуждающего излучения, при этом длина волны регистрирующего излучения может изменяться в пределах 400-1500 нм, а частота следования импульсов в точности равна частоте следования импульсов возбуждающего излучения.
Общими с заявляемым решением признаками прототипа являются использование магнитной пленки феррит-граната, внешний профиль которой выполнен в виде одномерной решетки (меандра), помещение пленки во внешнее магнитное поле, возбуждение спиновой динамики в виде стоячих спиновых (магнитостатических) волн. При этом в прототипе возбуждение и регистрация стоячих спиновых (магнитостатических) волн осуществляется с помощью микрополосковых преобразователей.
Отличительными признаками изобретения являются:
- выполнение текстурирования непосредственно магнитной пленки, а не подложки;
- глубина текстурирования выполняется меньше, чем толщина магнитной пленки
возбуждение стоячих спиновых волн осуществляется с помощью фемтосекундных импульсов когерентного линейно-поляризованного лазерного излучения;
- возможность перестройки частоты и порядка возбуждаемой стоячей спиновой волны при изменении длины волны возбуждающего лазерного излучения
- регистрация стоячих спиновых волн осуществляется с помощью фемтосекундных импульсов когерентного плоско поляризованного лазерного излучения, сдвинутых по времени относительно импульсов возбуждающего излучения.
Совокупность отличительных и ограничительных признаков обеспечивает изобретательский уровень заявленного технического решения.
В заявляемом способе используют принцип возбуждения спиновой динамики в виде стоячих спиновых волн в одномерной решетке, выполненной с помощью нанотекстурирования эпитаксиальной пленки феррит-граната, за счет создания локальной намагниченности в сверхмалой области образца при ее облучении фемтосекундными импульсами когерентного линейно-поляризованного лазерного излучения.
В основу заявляемого изобретения положена возможность возбуждения спиновой динамики в результате кратковременного изменения намагниченности в сверхмалой области образца за счет обратного магнитооптического эффекта Коттона-Мутона при облучении данной области фемтосекундными импульсами когерентного линейно-поляризованного лазерного излучения. Разработанный способ возбуждения стоячих спиновых волн в эпитаксиальных пленках феррит-граната с помощью фемтосекундных лазерных импульсов позволяет создавать на базе монокристаллических эпитаксиальных пленок феррит-гранатов оптически управляемые фильтры, модуляторы и маршрутизаторы СВЧ-волн, логические элементы, преобразователи сигналов и может быть использовано в области спинтроники, магноники и СВЧ-техники, при проектировании квантовых вычислительных устройств и т.д.
Изобретение поясняется фигурами, где:
Фиг. 1 - общая схема конструкции устройства и схема способа возбуждения ССВ;
Фиг. 2 - чертеж поперечного сечения одномерной решетки в виде прямоугольного меандра;
Фиг. 3 - снимок одномерной решетки на поверхности ЭПФГ в виде прямоугольного меандра (растровый электронный микроскоп);
Фиг. 4 - график регистрации ССВ Позициями на чертежах обозначены:
1 - подложка из монокристалла гадолиний-галлиевого граната (ГГГ);
2 - эпитаксиальная пленка феррит-граната (ЭПФГ);
Способ реализуют следующим образом (Фиг. 1). На подложке 1 из немагнитного гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) выращивается методом жидкофазной эпитаксии монокристаллическая эпитаксиальная пленка феррит-граната (ЭПФГ) 2. На поверхности ЭПФГ 2 методом нанолитографии выполняется нанотекстурирование в виде одномерной решетки, имеющей сечение в форме прямоугольного меандра, при чем травление выполняется не на всю глубину пленки 2. На пленку 2 в точку возбуждения под углом θ направляется луч монохроматического линейно-поляризованного лазерного излучения в виде последовательных фемтосекундных импульсов (возбуждающее излучение), а в точку регистрации ССВ направляется другой луч монохроматического линейно-поляризованного лазерного излучения в виде последовательных фемтосекундных импульсов (регистрирующее излучение), при этом импульсы регистрирующего излучения сдвинуты по времени на фиксированное значение относительно импульсов возбуждающего излучения. Возбуждение спиновой динамики в виде ССВ осуществляется за счет обратного эффекта Коттона-Мутона, а регистрация ССВ осуществляется за счет прямого эффекта Фарадея, для этого анализируется угол поворота плоскости поляризации излучения, прошедшего через образец в точке регистрации.
0
0
0
На Фиг. 2 показано сечение одномерной решетки на поверхности ЭПФГ в форме прямоугольного меандра. Здесь толщина ЭПФГ обозначена h, а толщина слоя на дне канавок травления h, тогда глубина травления канавок составляет h-h. Период решетки обозначен d, а скважность d, соответственно.
3
5
12
0
0
0
На Фиг. 3 представлен снимок одномерной решетки на поверхности ЭПФГ в виде прямоугольного меандра, изготовленной в соответствии с чертежом на Фиг. 2. Снимок сделан с помощью растрового электронного микроскопа, на снимке показан масштабный отрезок. Монокристаллическая эпитаксиальная пленка катион-замещенного феррит-граната с номинальным составом (BiLu)(FeGa)O была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствор-расплава на подложке из гадолиний галлиевого граната толщиной 500 мкм с ориентацией поверхности в кристаллографической плоскости (111). В данном случае толщина пленки ЭПФГ составляла h=300 нм, толщина слоя на дне канавок травления h=75 нм, а глубина h-h=225 нм. Период решетки составлял d=450 нм, а скважность d=225 нм. Решетка в виде прямоугольного меандра была выполнена с помощью электронной литографии с последующим ионным травлением. Область литографии на поверхности образца составила 0,5 × 0,5 мм.
Образец ЭПФГ с одномерной решеткой помешался во внешнее постоянное магнитное поле напряженностью 870 Э, которое было направлено вдоль оси х (Фиг. 1) в плоскости пленки, перпендикулярно решетке. Поверхность решетки облучалась когерентным лазерным излучением (длина волны λ=885 нм) с линейной поляризацией (возбуждающее излучение). Излучение представляло собой последовательность импульсов длительностью 250 фс с частотой следования 80 МГц. Мощность излучения 15 мВт, угол падения θ=5°. Регистрация ССВ осуществлялась с помощью когерентного лазерного излучения (длина волны λ=427,5 нм) с линейной поляризацией (регистрирующее излучение). Излучение представляло собой последовательность импульсов длительностью 250 фс с частотой следования 80 МГц, при этом импульсы регистрирующего излучения сдвигались по времени на величины от -0.2 нс до 2.5 нс относительно импульсов возбуждающего излучения с помощью оптической линии задержки. На Фиг. 4 показан график регистрации ССВ с помощью прямого эффекта Фарадея, для этого анализировался угол поворота плоскости поляризации регистрирующего излучения, прошедшего через образец в точке исследования. Временная задержка обеспечивалась фазовым сдвигом импульсов возбуждающего и регистрирующего излучения. Для данной конфигурации реализовано одновременное возбуждение ССВ нулевого порядка с частотой 2,3 ГГц, первого порядка с частотой 3.1 ГГц и второго порядка с частотой 3.9 ГГц.
Данный способ имеет ряд преимуществ:
- возможность сверхбыстрого возбуждения спиновой динамики в виде ССВ в течение длительности одного фемтосекундного импульса;
- возможность возбуждения ССВ в очень малой области образца, физически ограниченной только дифракционным пределом;
- возможность регулирования амплитуда ССВ за счет изменения параметров внешнего магнитного поля (направление и величина) и оптического источника возбуждения (поляризация, угол падения и длина волны);
- возможность возбуждения ССВ разной частоты и длины волны (разного порядка) за счет варьирования параметров меандра решетки (период, скважность, глубина травления) и оптического источника возбуждения (угол падения и длина волны);
- возможность регистрации и исследования временной динамики, профиля и пространственного распределения ССВ.