Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проект «Пространственно-временное профилирование спиновых возбуждений в ферромагнитных наноструктурах» нацелен на поиск принципиально новых методов управления когерентными магнитными возбуждениями в ферромагнитных наноструктурах. Проект выполняется молодым коллективом Лаборатории физики ферроиков, созданной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 2013 году в рамках Мегагранта Правительства РФ. Уже в первый год выполнения проекта нам удалось получить ряд прорывных результатов, открывающих новые возможности в области сверхбыстрого наномагнетизма. Это во многом стало возможным благодаря современному экспериментальному оснащению лаборатории и активному научному сотрудничеству с ведущими международными группами, обеспечивающим проекту доступ к уникальным структурам и детальному теоретическому анализу. Основное направление исследований 2016 года – когерентная фононная накачка прецессии намагниченности в ферромагнитных планарных наноструктурах на основе галфенола – металлического сплава железа и галлия, являющегося новым функциональным материалом для микроволновой спинтроники. Специально для данного проекта высококачественные пленки галфенола были предоставлены технологами Университета Ноттингема (Великобритания), а наноразмерное профилирование выполнено в Институте нанотехнологий микроэлектроники РАН. Был исследован отклик на фемтосекундное оптическое возбуждение планарной ферромагнитной нанорешетки, сформированной вытравленными в пленке галфенола параллельными канавками шириной и глубиной 40 нм, следующими с периодом 150 нм. Основной результат исследований – демонстрация эффективной накачки магнитной прецессии генерируемыми оптически локализованными в области нанорешетки долгоживущими монохроматическими упругими колебаниями (фононами). Эффект фононной накачки позволяет детектировать прецессию намагниченности в течение нескольких наносекунд после оптического возбуждения, что на порядок превосходит время затухания прецессии намагниченности в непрофилированной пленке галфенола. При этом амплитуда прецессии демонстрирует резкий максимум при совпадении частоты локализованной фононной моды (15 ГГц в исследуемой структуре) и контролируемой внешним магнитным полем частоты ферромагнитного резонанса. Эффект обладает выраженной пространственной анизотропией: выбор направления внешнего магнитного поля в плоскости профилированной пленки позволяет сделать фононную накачку как доминирующим механизмом возбуждения прецессии в нанорешетке при полностью подавленных других механизмах возбуждения прецессии, так и, напротив, полностью исключить его влияние. Выполненное численное моделирование упругого и магнитного отклика в исследуемых структурах в зависимости от их параметров и пространственной топологии показало прекрасное согласие с экспериментом и подтвердило основные экспериментальные выводы. Полученные результаты открывают перспективы создания наноразмерных генераторов переменных магнитных полей гигагерцовых частот с узкой спектральной полосой, локализованных на нанометровом масштабе. Выраженная анизотропия наблюдаемого эффекта стимулировала дополнительные исследования ферромагнитных пленок на основе галфенола, в которых возможно разделение нескольких оптически-индуцированных вкладов в возбуждение прецессии намагниченности выбором направления и величины внешнего магнитного поля. Такими свойствами обладают ферромагнитные пленки, выращенные на низкосимметричных подложках, в том числе исследуемые нами пленки галфенола на подложке (311)-GaAs. Объединив в одном исследовании два метода возбуждения: прямое оптическое возбуждение и инжектирование пикосекундных импульсов деформации (волнового пакета когерентных акустических фононов), мы смогли выделить и описать каждый из вкладов, и показать, что изменяя величину внешнего магнитного поля, приложенного вдоль направления трудной оси намагничивания, возможно добиться доминирующего вклада лазерно-индуцированного нагрева (поле до 200 мТл), квазипоперечных фононов (300-500 мТл) и квазипродольных фононов (>500 мТл) в сверхбыстрое изменение магнитной анизотропии и сопутствующее возбуждение прецессии намагниченности. В сочетании с пространственным профилированием это открывает путь к управлению намагниченностью через связь с упругими модами не только определенной частоты, но и поляризации. Помимо основного результата, в 2016 году был получен ряд предварительных экспериментальных данных в качестве задела на 2017 год. Были проведены первые эксперименты с структурами CoFeB/BaTiO3, выполнена характеризация отобранных для исследований пленок железоиттриевого граната и проведены базовые исследования зависимости механизмов возбуждения прецессии – обратного эффекта Фарадея и лазерно-индуцированного изменения анизотропии – от длины волны возбуждающего лазера и степени замещения . Исследованные структуры станут основой для экспериментов по пространственной модуляции возбуждения прецессии намагниченности в 2017 году. Помимо научных результатов в ходе первого года исследований были отлажены новые экспериментальные методики и значительно расширена экспериментальная база. Также важным результатом стало формирование амбициозного и молодого коллектива, нацеленного на решение передовых экспериментальных задач.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 году научным коллективом проекта РНФ «Пространственно-временное профилирование спиновых возбуждений в ферромагнитных наноструктурах» были проведены исследования отклика намагниченности на возбуждение фемтосекундными лазерными импульсами в ряде наногетероструктур на основе тонких пленок металлов c особыми свойствами. Взяв за основу результаты, полученные в первый год проекта, а также учтя текущий прогресс в области фемтомагнетизма, спинтроники и магноники, мы определили круг структур, в которых эффекты пространственно-временного профилирования спиновых возбуждений могут иметь наиболее яркие проявления, интересные как с фундаментальной, так и с практической точек зрения. Одним из основных материалов для исследований стал ферромагнитный металлический сплав галфенол FeGa, обладающий сильной магнитострикцией. В ходе наших исследований мы показали, что прецессия намагниченности в тонких пленках галфенола на подложках GaAs обладает исключительно большим временем жизни до 2 нс, что ранее наблюдалось лишь в некоторых материалах. Такие свойства делают галфенол интересным и перспективным материалом для спинтроники и магноники. В структурах типа «спиновый затвор» FeGa/Cu/FeGa/GaAs впервые была реализована инжекция чисто спинового тока из ферромагнитного FeGa в немагнитный металл Cu за счет лазерно-индуцированной прецессии намагниченности. В эксперименте в условиях резонанса, когда частоты оптически-индуцированной прецессии намагниченности в двух слоях FeGa равны, наблюдалось возникновение связанных мод с равной частотой, но значительным отличием во временах затухания. Такое поведение является ярким свидетельством возникновения спинового тока между ферромагнитными слоями. Важным достоинством импульсного оптического возбуждения, реализованного в наших экспериментах, является возможность наблюдения временной эволюции обоих связанных мод прецессии намагниченности. Полученный результат имеет чрезвычайно большое значение для развития спинтроники, так как оптически индуцированная спиновая накачка, продемонстрированная в нашем исследовании, сделает возможной миниатюризацию устройств, основанных на использовании чисто спиновых токов высокой частоты. В тонкой пленке FeGa(4нм)/GaAs было реализовано возбуждение долгоживущей прецессии намагниченности сфокусированным в пятно размером 1-5 микрон фемтосекундным лазерными импульсом. Полученный результат, в частности, показывает, что описанный выше эффект спиновой накачки, требующий долгого времени жизни прецессии, может быть реализован и на микронных и даже субмикронных масштабах. Более того в результате предварительных экспериментов обнаружено, что при переходе к фокусировке лазерного импульса в 1 микрон существенно меняется характер прецессии, свидетельствующий о генерации поверхностных магнитостатических волн. Нанорешетки на основе галфенола, демонстрирующие долгое время жизни когерентных фононов и магнонов, стали первыми объектами для изучения по методике активной оптической спектроскопии субтерагерцовых возбуждений, разрабатываемой нашим коллективом. В этой методике в качестве зонда возбуждений используется цуг фемтосекундных лазерных импульсов с переменной частотой следования. Измеряя магнитооптический отклик ферромагнитного фононного нанорезонатора как функцию частоты следования импульсов, мы смогли получить спектры возбуждений в исследуемой структуре с высоким разрешением. Предложенная нами методика обладает высокой чувствительностью и эффективностью, позволяя получать информацию о спектре магнитных и других субтерагерцовых возбуждений в ферромагнитной наноструктуры за значительно меньшее время, чем требуется при измерении временных сигналов по стандартной методике накачки-зондирования, и без использования микроволнового излучения. Еще одним объектом исследования стал композитный мультиферроик на основе ферромагнитного металла CoFeB и сегнетоэлектрика BaTiO3. Управление намагниченностью и поляризацией лазерными импульсами в собственных и композитных мультферроикох предсавляет интересную, но малоизученную задачу. В мультиферроике CoFeB/BaTiO3 за счет магнитоупругой связи создается периодическая структура магнитных доменов микронного размера, которые обладают волноводными свойствами, а также формируют сложный спектр спиновых волн. В наших экспериментах по лазерно-индуцированной прецессии намагниченности в отдельных доменах мы обнаружили, что механизм возбуждения спиновой динамики существенно отличается от ранее известных для магнитных металлов. Он связан с магнитоупругой природой анизотропии, а также с важной ролью взаимного влияния соседних доменов друг на друга при формировании статических и динамических магнитных свойств такой структуры. Всего по результатам двух лет проекта подготовлены четыре статьи в рецензируемых журналах, в том числе первого квартиля. В 2017 г. результаты исследований по проекту представлены на международных конференциях в 4х приглашенных, 2х устных и 2х стендовых докладах.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В исследованиях, проведенных за отчетный период, который являлся заключительным этапом проекта, можно выделить три основных направления. По каждому из них были получены решающие результаты, позволяющие считать успешным весь проект, который был направлен на поиск эффективных методов управления когерентными спиновыми возбуждениями в ферромагнитных материалах, позволяющих контролировать их временную и пространственную эволюцию. 1. Спиновые волны в нанометровых слоях галфенола В проведенных исследованиях мы использовали обнаруженные нами ранее свойства галфенола - ферромагнитного сплава, выбранного нами в качестве основного материала исследований. В этом металле, характеризующимся большой намагниченностью насыщения, высокой температурой Кюри и высокой технологичностью, за счет большой обменной жесткости в нанометровых пленках фемтосекундный лазерный импульс возбуждает одиночную однородную по толщине пленки магнонную моду с долгим временем жизни. Это делает галфенол перспективным материалом для латерального спинового транспорта. Для демонстрации этого мы выполнили эксперименты по оптическому возбуждению и детектированию магнитостатических спиновых волн в пленках толщиной до 20 нм. Мы показали, что сфокусированный в пятно размером порядка одного микрона лазерный импульс возбуждает в пленке галфенола распространяющийся в плоскости волновой пакет с широким набором волновых векторов. Нами было зафиксировано разбегание поверхностный спиновой волны на расстояние до 10 микрон, что сравнимо с характеристиками лучших магнитных металлов, используемых как среды для распространения спиновых волн. Нами показано, что механизм возбуждения, основанный на сверхбыстром изменении магнитокристаллической анизотропии, позволяет управлять параметрами распространяющегося волнового пакета когерентных спиновых возбуждений (групповой скоростью, амплитудой, временем затухания) за счет выбора направления внешнего магнитного поля. Проведенные эксперименты являются первыми по оптической генерации распространяющихся спиновых волн в нанометровых ферромагнитных слоях, основанной на оптически-индуцированной модуляции магнитной анизотропии материала, а также первой демонстрацией распространения спиновых волн в галфеноле. 2. Резонансные магнон-фононные эффекты в латеральных нанорешетках галфенола Использовав технологические наработки и экспериментальные результаты первых двух этапов проекта, мы реализовали селективное упругое возбуждение магнонных мод в латеральной ферромагнитной нанорешетке. Основанный на результатах расчета выбор основных структурных параметров (ширина и глубина канавок и период нанорешетки) позволил реализовать оптическое возбуждение двух локализованных фононных мод с сильно различающимся пространственными профилями, расщепленных по частоте. Глубина нанорешетки определяла характер магнонного спектра - от доминирования однородной прецессии в нанорешетке глубиной несколько нанометров, до формирования разрешенных и запрещенных магнонных мод в нанорешетках глубиной более 20 нм. Используя зависимость эффективности магнон-фононного взаимодействия от пространственного перекрытия соответствующих локализованных мод, мы, изменяя магнитное поле смогли добиться резонансной фононной накачки магнонных мод с заданным пространственным распределением: как латеральным, так и по толщине магнитного слоя. 3. Прецессия намагниченности в мультиферроикие CoFeB/BaTiO3 c заданной магнитоупругим взаимодействием доменной структурой В рамках этого направления мы смогли определить механизм возбуждения прецессии намагниченности в структуре - композитном мультиферроике CoFeB/BaTiO3. Доменная структура 50-нанометровой пленки ферромагнитного CoFeB задается сегнетоэлектрическими доменами подложки BaTiO3 за счет наведенной деформации. Сверхбыстрое оптически-индуцированное изменение параметров магнитоупругой связи двух материалов позволяет возбуждать прецессию намагниченности, параметры которой определяются направлением внешнего магнитного поля относительно заданной деформацией легкой оси намагничивания. Переход от одного домена, имеющего размер несколько микрометров, к другому переключает начальную фазу оптически возбуждаемой прецессии. Таким образом, мы впервые показали, что прецессию намагниченности можно возбуждать за счет лазерно-индуцированного изменения магнитоупругих констант, а также показали возможность возбуждения и детектирования прецессии намагниченности в индивидуальных доменах микронного размера. Так как структуры CoFeB/BaTiO3 являются основной для электрически-перестраиваемых волноводов для спиновых волн, наши результаты являются важным шагом в развитии опто-магноники, где спиновые волны возбуждаются и/или детектируются оптически. Помимо представленных выше научных результатов, за отчетный период была существенно расширена экспериментальная база лаборатории, с введением в строй новой фемтосекундной лазерной системы с возможностью перестройки длины волны лазерных импульсов при высокой (70 МГц) частоте их следования. Также мы развили методику спектроскопического детектирования магнитной динамики в ферромагнитных наноструктурах, основанную на использовании перестраиваемого Фабри-Перо резонатора и сканирования частоты следования цуга зондирующих лазерных импульсов в диапазоне 1 - 100 ГГц. За отчетный период участники проекта представили его результаты на 15 научных конференциях в виде 6 приглашенных, 6 устных и 3 стендовых докладов. В 2018 году вышли 2 публикации коллектива по результатам, полученным в ходе проекта в журналах Q1, 1 статья направлена в печать, 2 статьи находятся на завершающей стадии подготовке в подаче. Опубликованная в разделе Rapid Communications журнала Physical Review B статья по оптическому возбуждению чисто спиновых токов в структурах типа спиновый затвор на основе галфенола, получила статус “выбор редактора”, вошла в еженедельную подборку APS Highlights и была широко освещена в российской научно-популярной периодике.