|
Магнитные материалы со сверхбыстрым откликом — важнейший элемент современных технологий. Чтобы понять, как такие материалы реагируют на внешние воздействия, очень желательно увидеть в динамике поведение вектора намагниченности — «стрелочки», показывающей величину и направление локального магнитного поля, создаваемого средой. Именно это впервые удалось сделать экспериментаторам из Страсбургского института физики и химии материалов.
Увеличение быстродействия электроники подразумевает не только миниатюризацию всех компонентов, но и повышение темпа работы. Для этого требуются материалы «сверхбыстрого реагирования», у которых время отклика на приложенное внешнее воздействие сведено к минимуму. Проблема увеличения быстродействия в особенности касается магнитных запоминающих устройств: чтобы произвести запись, необходимо изменить намагниченность участка ферромагнитного материала.
Дрожание вектора намагниченности в ответ на удар лазерным импульсом.Современные материалы со сверхбыстрым откликом обладают временем реакции в доли наносекунды. Изучать их поведение удобно, нанося по ним «удары» световым импульсом и наблюдая, что происходит с локальной намагниченностью образца. Но этого недостаточно: сама по себе величина намагниченности (т. е. просто число) не дает информации о том, как вращается в пространстве вектор намагниченности. Однако методик наблюдения именно за вектором, причем с хорошим разрешением во времени, до сих пор не было.
С этой нетривиальной задачей справились французские экспериментаторы. Результаты их исследования опубликованы в статье M.Vomir et al., Physical Review Letters, 94, 237601 (14 June 2005). Для наблюдения за вращением вектора намагниченности в тонких кобальтовых пленках, осажденных на поверхность сапфира, они использовали магнитооптический эффект Керра. Этот эффект связывает поляризацию света, отраженного от поверхности, с направлением падения и поляризацией падающего света, а также вектором намагниченности самой поверхности (в нашем случае — тонкой кобальтовой пленки). Оказывается, этого достаточно для полного трехмерного восстановления вектора намагниченности. Проводя такие измерения в динамике, удается восстанавливать в буквальном смысле «подергивание» и вращение этого вектора в пространстве.
Из приведенных в статье замысловатых кривых в трех проекциях можно почерпнуть немало информации о динамике намагниченности, которая подтверждает общее представление о том, что отклик ферромагнетика на короткий лазерный импульс проходит в три этапа. Вначале энергия импульса передается электронам, нагревая их локально до высоких температур. Затем — опять же локально — горячие электронное облако остывает, передавая энергию кристаллической решетке. И наконец, это тепло медленно рассасывается по всей системе.
Каждый этап явно прослеживается в поведении вектора намагниченности. На первом этапе из-за нагрева намагниченность резко теряется, т. е. модуль вектора намагниченности падает. На втором этапе, когда электроны термализуются (т. е. возвращаются к обычным температурам), намагниченность восстанавливается. Однако кристаллическая решетка в этот момент локально деформирована из-за избытка тепла, и потому прежний вектор намагниченности начинает прецессировать (вращаться вокруг некоторой оси). Эта прецессия прекрасно наблюдалась в эксперименте во всех трех проекциях. Затем, по мере охлаждения решетки, вся система возвращалась к первоначальному состоянию, и колебания постепенно затухали. Вектор намагниченности плавно возвращался к своему невозмущенному значению.
Теоретическое описание всех этих стадий, предложенное авторами, неплохо воспроизводит наблюдаемые данные. Сама же методика позволит упростить создание и анализ еще более быстрых ферромагнитных систем.
