Теоретическое и численное моделирование процесса оптического переключения эпитаксиальных наноструктур на основе железосодержащего граната

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведен теоретический анализ переключения намагниченности в пленке феррит-граната гадолиния вследствие размагничивающего действия фемтосекундного лазерного импульса. Используя формализм Лагранжа для двухподрешеточного ферримагнетика, получены эффективные Лагранжиан, термодинамический потенциал и диссипативная функция Рэлея. Проанализирована фазовая диаграмма пленки феррита, выделены основные состояния системы. Построены диаграммы переключения намагниченности и траектории динамики параметра порядка магнетика. Проанализированы диапазоны магнитных полей, температур и величин размагничивания, для наиболее эффективного переключения намагниченности.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Юрлов

МИРЭА – Российский технологический университет; ООО «Новые спинтронные технологии»; Московский физико-технический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: yurlov.vv@phystech.edu
Россия, Москва; Москва; Долгопрудный

К. А. Звездин

МИРЭА – Российский технологический университет; ООО «Новые спинтронные технологии»

Email: yurlov.vv@phystech.edu
Россия, Москва; Москва

А. К. Звездин

МИРЭА – Российский технологический университет; ООО «Новые спинтронные технологии»; Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Email: yurlov.vv@phystech.edu
Россия, Москва; Москва; Москва

Список литературы

  1. Mashkovich E.A., Grishunin K.A., Zvezdin A.K., Blank T.G.H., Zavyalov A.G., van Loosdrecht Paul H.M., Kalashnikova A.M., Kimel A.V. Terahertz-driven magnetization dynamics of bismuth-substituted yttrium iron-gallium garnet thin film near a compensation // Phys. Rev. B. 2023. V. 106. P. 184425.
  2. Blank T.G.H., Mashkovich E.A., Grishunin K.A., Schippers C.F., Logunov M.V., Koopmans B., Zvezdin A.K., Kimel A.V. Effective rectification of terahertz electromagnetic fields in a ferrimagnetic iron garnet // Phys. Rev. B. 2023. V. 108. P. 094439.
  3. Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing Th. Ultrafast optical manipulation of magnetic order // Rev. Mod. Phys. 2010. V. 82. P. 2731–2784.
  4. Kimel A.V., Li M. Writing magnetic memory with ultrashort light pulses // Nature Rev. Mater. 2019. V. 4. P. 189–200.
  5. Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing Th. Ultrafast optical manipulation of magnetic order // Rev. Mod. Phys. 2010. V. 82. P. 2731–2784.
  6. Stanciu C.D., Hansteen F., Kimel A.V., Kirilyuk A., Tsukamoto A., Itoh A., Rasing Th. All-Optical Magnetic Recording with Circularly Polarized Light // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 99. P. 047601.
  7. Kimel A.V., Kirilyuk A., Tsvetkov A., Pisarev R.V., Rasing Th. Laser-induced ultrafast spin reorientation in the antiferromagnet TmFeO3 // Nature. 2004. V. 429. P. 850–853.
  8. Stanciu C.D., Kimel A.V., Hansteen F., Tsukamoto A., Itoh A., Kirilyuk A., Rasing Th. Ultrafast spin dynamics across compensation points in ferrimagnetic GdFeCo // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 220402.
  9. Mendil J., Nieves P., Chubykalo-Fesenko O., Walowski J., Santos T., Pisana S., Münzenberg M. Resolving the role of femtosecond heated electrons in ultrafast spin dynamics // Scientific Reports. 2014. V. 4. P. 3980.
  10. Yang Yang, Wilson R.B., Gorchon J., Lambert C., Salahuddin S., Bokor J. Ultrafast magnetization reversal by picosecond electrical pulses // Sci. Advances. 2017. V. 3. P. e16033117.
  11. Vahaplar K., Kalashnikova A.M., Kimel A.V., Hinzke D., Nowak U., Chantrell R., Tsukamoto A., Itoh A., Kirilyuk A., Rasing Th. Ultrafast Path for Optical Magnetization Reversal via a Strongly Nonequilibrium State // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. P. 117201.
  12. Savoini M., Medapalli R., Koene B., Khorsand A.R., Le Guyader L., Duò L., Finazzi M., Tsukamoto A., Itoh A., Nolting F., Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing Th. Highly efficient all-optical switching of magnetization in GdFeCo microstructures by interference-enhanced absorption of light // Phys. Rev. B. 2012. V. 32. P. 140404.
  13. Davydova M.D., Zvezdin K.A., Kimel A.V., Zvezdin A.K. Ultrafast spin dynamics in ferrimagnets with compensation point // J. Phys. Condensed Matter. 2020. V. 32. P. 01LT01.
  14. Yurlov V.V., Zvezdin K.A., Kichin G.A., Davydova M.D., Tseplina A.E., Ngo Trong Hai, Jong-Ching Wu, Sheng-Zhe Ciou, Yi-Ru Chiou, Lin-Xiu Ye, Te-Ho Wu, Ramesh Chandra Bhatt, Zvezdin A.K. Magnetization switching by nanosecond pulse of electric current in thin ferrimagnetic film near compensation temperature // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. P. 222401.
  15. Yurlov V.V., Zvezdin K.A., Skirdkov P.N., Zvezdin A.K. Domain wall dynamics of ferrimagnets influenced by spin current near the angular momentum compensation temperature // Phys. Rev. B. 2021. V. 103. P. 134442.
  16. Ovcharenko S.V., Yakushenkov P.O., Ilyin N.A., Brekhov K.A., Semenova E.M., Wu A., Mishina E.D. Ultrafast Magnetization Reversal in DyFeCo Thin Film by Single Femtosecond Laser Pulse // Phys. Metals Metallogr. 2019. V. 120. P. 825–830.
  17. Kobelev A.V., Shvachko Yu.N., Ustinov V.V. Angular dependence of the FMR linewidth and the anisotropy of the relaxation time in iron garnets // Phys. Metals Metal. 2016. V. 117. P. 9–15.
  18. Schlauderer S., Lange C., Baierl S., Ebnet T., Schmid C.P., Valovcin D.C., Zvezdin A.K., Kimel A.V., Mikhaylovskiy R.V., Huber R. Temporal and spectral fingerprints of ultrafast all-coherent spin switching // Nature. 2019. V. 569. P. 383–387.
  19. Teale R.W., Temple D.W. Photomagnetic Anneal, A New Magneto-Optic Effect, in Si-Doped Yttrium Iron Garnet// Phys. Rev. Lett. 1967. V. 19. P. 904.
  20. Stupakiewicz A., Pashkevich M., Maziewski A., Stognij A., Novitskii N. Spin precession modulation in a magnetic bilayer// Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101. P. 262406.
  21. Davydova M.D., Zvezdin K.A., Becker J., Kimel A.V., Zvezdin A.K. H-T phase diagram of rare-earth–transition-metal alloys in the vicinity of the compensation point // Phys. Rev. B. 2019. V. 100. P. 064409.
  22. Schlickeiser F., Atxitia U., Wienholdt S., Hinzke D., Chubykalo-Fesenko O., Nowak U. Temperature dependence of the frequencies and effective damping parameters of ferrimagnetic resonance// Phys. Rev. B 2012. V. 86. P. 214416.
  23. Beaurepaire E., Merle J.C., Daunois A., Bigot J.Y. Ultrafast Spin Dynamics in Ferromagnetic Nickel // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. P. 4250–4253.
  24. Alben R. Phase Transitions in the Anisotropic Ferrimagnetic Ytterbium Iron Garnet // Phys. Rev. B. 1970. V. 101. P. 262406.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фазовая H–T-диаграмма феррит-граната гадолиния GdIG. Внешнее магнитное поле H направлено вдоль оси [001] GdIG. Cπ и C0 представляют коллинеарные фазы феррита, где θ = π и θ = 0. NC1 и NC2 представляют неколлинеарные фазы, отвечающие диапазонам полярного угла π / 2 < θ1 < π и π < θ2 < π / 2, соответственно. TM ≈ 250 К – температура компенсации. Вставка показывает пример стабильных состояний системы в неколлинеарных областях, пронумерованных соответственно от 1 до 8. Состояния (5, 6, 7, 8) относятся к области C0; состояния (1, 2, 3, 4) относятся к области Cπ

Скачать (150KB)
Метаданные
3. Рис. 2. a – H–T-диаграмма переключения намагниченности при фиксированной величине размагничивания; цветом отображается каждое из восьми возможных состояний; б, в – представляют траектории динамики намагниченности для соответствующих точек (б) и (в) на диаграмме (красная и желтая точка, соответственно), зеленая стрелка изображает начальное состояние, красная стрелка – конечное

Скачать (219KB)
Метаданные
4. Рис. 3. a – ∆m – H-диаграмма переключения намагниченности при фиксированной температуре ТМ ≈ 250 К; цветом отображается каждое из восьми возможных состояний; б, в – представляют траектории динамики намагниченности для соответствующих точек (б) и (в) на диаграмме (красная и желтая точка, соответственно), зеленая стрелка изображает начальное состояние, красная стрелка – конечное

Скачать (223KB)
Метаданные