Российские ученые обнаружили новый электрооптический эффект — электрическое переключение частоты лазерного луча, отраженного от поверхности металлической пленки. Это явление может быть использовано для считывания информации в элементах магнитной памяти или для создания лазеров с перестраиваемой частотой, а также для электрооптических приборов нового поколения. Работа опубликована в Physical Review B.
Свет, проходя через тонкую пленку ферромагнетика, взаимодействует со спиновыми волнами (магнонами). При этом при отражении света от ферромагнетика к энергии фотона может добавляться или вычитаться из нее энергия теплового магнона. Это дает возможность получать частотный спектр отраженного луча, в котором частота модулирована тепловыми спиновыми волнами. Происходит неупругое рассеяние падающих фотонов на магнонах, которое подчиняется правилам отбора (закону сохранения энергии и импульса). В результате отраженный свет содержит информацию о том, какие спиновые волны имеются в ферромагнитной пленке. Такая методика называется Бриллюэновским рассеянием света на спиновых волнах.
В своей новой работе российские ученые использовали это явление для того, чтобы исследовать спиновый ток в антиферромагнитной пленке. С антиферромагнетиком трудно работать потому, что намагниченность этого материала мала. Чтобы решить проблему, на антиферромагнетик нанесли ферромагнетик и действовали по схеме, описанной выше. Если в антиферромагнетике что-либо происходит, спектр Бриллюэновского рассеяния света в соседнем ферромагнитном слое немедленно откликается на даже небольшие изменения в антиферромагнетике. Проводя данные эксперименты в образцах нанометровой толщины, физики обнаружили новый эффект: изменение цвета отраженного луча во время протекания тока по антиферромагнетику.
Первый автор работы Максим Бахметьев, к. ф.-м. н., младший научный сотрудник Российского квантового центра, рассказывает: «Полученный результат открывает новый электрооптический эффект — электрическое переключение частоты лазерного луча, отраженного от поверхности металлической ферромагнитной пленки. Пропускание тока вдоль ферромагнитного “зеркала” приводит к изменению частоты отраженного от поверхности лазерного луча».
Ученый объяснил, что при пропускании электрического тока происходит спиновая поляризация носителей заряда в ферромагнитном слое. Затем эти носители заряда попадают в антиферромагнитный слой, в область, прилежащую к ферромагнетику. Намагничивание этого слоя ведет к изменению направления намагничивания ферромагнетика. Изменение в ферромагнетике ведет к изменению частоты отраженного луча.
Схема эксперимента по измерению спектра Бриллюэновского рассеяния света при пропускании тока через образец NiFe/IrMn. Источник: М. Бахметьев
Физики также показали, как с помощью спин-поляризованного тока можно оказывать влияние на спиновые волны. Если пропускать через образец спин-поляризованный ток, то таким образом можно управлять направлением и импульсом спиновой волны. От этих параметров будет зависеть и изменение частоты лазерного света после прохождения образца.
Д. ф.-м. н. Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ и РКЦ, добавляет: «Использование тонких пленок антиферромагнетика толщиной в несколько нанометров позволило реализовать управление спиновыми волнами в прилежащем слое магнитного материала. Был обнаружен новый эффект, который заключается в изменении частоты рассеянного света при взаимодействии с созданной магнитной наноструктурой. Следующим этапом будет являться демонстрация данного эффекта для гетероструктур на основе монослоев двумерных магнитных материалов».
Максим Бахметьев делится планами: «Мы планируем применить обнаруженный эффект для сверхбыстрого магнитооптического переключения частоты света, отраженного от ферромагнетика. Короткий импульс электрического тока эффективно переключает частоту луча, отраженного от зеркальной поверхности тонкопленочной структуры пермаллой — антиферромагнетик»
Исследование провели ученые из Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ, Российского квантового центра и ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН.
