Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе первого этапа работ над проектом определено влияние геометрической формы и пространственных границ ферромагнитных структур на особенности возбуждения и распространения различных магнонных мод. Так эксперименты в планарном микрополосковом волноводе и цилиндрическом микрорезонаторе из пермаллоя показали, что при расположении возбуждающего фемтосекундного оптического импульса вблизи к краям структуры приводит к более эффективному возбуждению высокочастотных мод. При этом более широкий волновод поддерживает распространение магнитостатических волн на большие расстояния. Такие особенности возбуждения связаны с увеличением полей размагничивания вблизи краев структуры и особенностей именно оптического возбуждения, когда сверхбыстрый оптический нагрев уменьшает намагниченность и, как следствие, меняет поле размагничивания. Для детального исследования эффектов было проведено микромагнитное моделирование оптического возбуждения динамики намагниченности в планарном волноводе. В результате моделирования продемонстрирован новый подход к реализации невзаимного распространения спиновых волн в ферромагнитном металлическом волноводе путем возбуждения их фемтосекундным лазерным импульсом. Показано, что комбинация внешнего магнитного поля и положения лазерного пятна возбуждения поперек волновода приводит к однонаправленному распространению возбуждаемого пакета спиновых волн. Рассмотрена структура планарного металлического волновода шириной 3 мкм, возбуждаемого фемтосекундным лазерным импульсом, сфокусированным в пятно диаметром 1.5 мкм. Оптический импульс возбуждает спин-волновой пакет, как было экспериментально продемонстрировано. При этом, в ограниченном волноводе направление основного распространения пакета зависит от положения возбуждающего лазерного пятна относительно края волновода. Такое поведение объясняется пространственным распределением полей размагничивания внутри волновода: намагниченность вблизи краев волновода остается практически им параллельна. Это приводит к тому, что спин-волновой пакет, распространяясь преимущественно по нормали к намагниченности, не испытывает эффективного отражения от краев волновода. В результате это приводит к селективному возбуждению однонаправленного распространения спиновой волны под некоторым углом к оси волновода. Таким образом можно утверждать, что оптическое возбуждение предоставляет возможность реализовать аналог диода для спиновых волн в пространственно ограниченных микроструктурах. Таким образом, в результате выполнения Проекта получен ряд принципиально новых фундаментальных результатов, демонстрирующих, что подходы фемтомагнетизма могут успешно применяться в элементах магноники, в том числе для сверхбыстрого оптического управления их параметрами. На втором этапе работ по проекту, опираясь на полученные в отчетном периоде результатов, планируется продемонстрировать работу прототипов перестраиваемых элементов магноники – делителя и демультиплексора для спиновых волн. Дизайн этих элементов выполнен на основании результатов, полученных в отчетный период. Соответствующие структуры изготовлены методом оптической литографии. Стоит отметить, что предложенные в проекте оптические методы управления спиновыми волнами могут быть перенесены и на другие типы структур, например, интерферометры, элементы логики и др., что имеет значимость для развития элементной базы оптически реконфигурируемой магноники в целом. Таким образом, в результате выполнения проекта будут расширены возможности оптического управления спиновыми волнами, что даст возможность создавать компактные и быстродействующие элементы магноники, совместимые с электронными и фотонными аналогами. По результатам, полученным за отчетный период, подготовлена 1 статья, которая направлена в редакцию журнала Physical Review Applied (Q1), где проходит второй раунд рецензирования. Также по результатам исследований сделано 7 докладов на российских и международных конференциях по тематике проекта. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: https://doi.org/10.48550/arXiv.2209.05611 https://www.researchgate.net/publication/363537840_Unidirectional_propagation_of_spin_waves_excited_by_femtosecond_laser_pulses_in_a_planar_waveguide http://www.ioffe.ru/ferrolab/Projects https://colab.ws/researchers/R-35DD4-163BA-GK03I https://vk.com/topic-174159168_49136871

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проведён ряд экспериментов по лазерно-индуцированному возбуждению магнитостатических спиновых волн в магнонных волноводах, резонаторах и структурах на их основе. На примере Т-образного волновода получены пространственно-временные распределения внеплоскостной компоненты намагниченности после локального нагрева фемтосекундным лазерным импульсом. Основным новым результатом стало наблюдение распространения лазерно-индуцированных магнитостатических волн в структуре при размере области возбуждения в 1.5 мкм. При этом направление распространения зависит от положения области возбуждения относительно края структуры. В соответствии с результатами, полученными на первом этапе выполнения проекта, изменение направления возбуждаемой волны связано с неоднородностью распределения равновесного направления намагниченности в конечной структуре. Данный факт подтверждается результатами микромагнитного моделирования, демонстрирующими нетривиальное распределение равновесного направления намагниченности в исследуемой структуре. При уменьшении размеров области возбуждения до 1.2 мкм, в структуре наблюдается распространение магнитоакустических волн. Экспериментальные результаты указывают на гибридизацию магнитостатических волн с поверхностными акустическими различного типа. Наблюдаемые магнитоакустические волны распространяются в виде коротких волновых пакетов на расстояния более 20 мкм, что сравнимо с лучшими результатами для лазерно-индуцированных поверхностных магнитостатических волн в тонких металлических плёнках. Кроме того, были проведены теоретический анализ и микромагнитное моделирование для демонстрации возможности по управлению асимметрией распространения лазерно-индуцированных спиновых волн, их волновым вектором, и их длиной распространения. Предложенные подходы основаны на использовании как особенностей лазерно-индуцированного возбуждения, так и на использовании механизмов, известных для магнонных структур. По результатам работы опубликовано три статьи в журналах Physical Review Applied [P.I. Gerevenkov, Ia.A. Filatov, A.M. Kalashnikova, and N.E. Khokhlov Phys. Rev. Applied 19, 024062 (2023)], Journal of Magnetism and Magnetic Materials [Khokhlov N. E., Filatov I. A., Kalashnikova A. M. JMMM 598 171514 (2024)] и ЖЭТФ [Федянин А. Е., Хохлов Н. Е., Калашникова А. М. ЖЭТФ 164 526 (2023)]. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.024062 https://arxiv.org/abs/2209.05611 https://www.researchgate.net/publication/368762005_Unidirectional_Propagation_of_Spin_Waves_Excited_by_Femtosecond_Laser_Pulses_in_a_Planar_Waveguide https://habr.com/ru/news/755236/ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304885323011642 https://arxiv.org/abs/2310.05895 https://www.researchgate.net/publication/375674348_Spatial_asymmetry_of_optically_excited_spin_waves_in_anisotropic_ferromagnetic_film http://jetp.ras.ru/cgi-bin/r/index/r/164/4/p526?a=list https://new.ras.ru/activities/news/razrabotan-sposob-aktivirovat-i-kontrolirovat-spinovye-volny-s-pomoshchyu-spetsialnogo-materiala-i-l/