Стационарная и времяразрешённая магнитооптика тонкой плёнки FePt

1.

Стационарная и времяразрешённая
магнитооптика тонкой плёнки FePt
Петров А.В., Юсупов Р.В., Никитин С.И.
Институт физики КФУ, Казань
B
1. Введение
3. Результаты
а) Стационарный МОЭК
30
Для наблюдения статического МОЭК использовался твердотельный лазер,
излучающий свет на длине волны 632 нм. Полученные зависимости угла вращения
Керра от приложенного к образцу магнитного поля в меридиональной (черная
линия) и полярной (красная линия) геометриях представлены на рисунке 2. В
полярной геометрии была получена петля гистерезиса с коэрцитивной силой 1.16 Тл.
Угол поворота плоскости поляризации лазерного излучения в насыщении был весьма
велик и равен:
Для меридиональной конфигурации на графике наблюдается асимметричная кривая,
не проявляющая гистерезиса. Полученная величина угла Керра заметно – на порядок
– меньше, чем в эксперименте с полярной геометрией МОЭК.
2. Образцы и техника эксперимента
10
0
-10
-20
-30
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
B (Tk)
Рисунок 2. Зависимости статического МОЭК от
приложенного поля в полярной (красная линия)
и меридиональной (чёрная линия)
конфигурациях
б) Времяразрешённый МОЭК
Эксперимент по времяразрешенному магнитооптическому эффекту Керра проводился в полярной конфигурации при комнатной
температуре. Диапазон прикладываемых к образцу магнитных полей лежал в пределах от -0,5 до 0,5 Тл. Зондирующее излучение
фокусировалось на образце в пятно с диаметром 90 мкм, плотность энергии была равна 130 мкДж/см2. Свет накачки фокусировался в
пятно диаметром 400 мкм c плотностью энергии 22.3 мДж/см2 .
Для выделения вкладов, связанных с магнитной составляющей, и не связанных с ней, зависимость угла Керра от задержки измерялась для
двух равных по величине и противоположных по направлению значений приложенного магнитного поля B. Результаты измерений
показаны на рисунке 3 красной и черной линиями. Видно, что кривые отличны по знаку, однако и форма их также различна. В этом случае
магнитная составляющая сигнала соответствует половине разности измеренных сигналов (синяя линия), а немагнитная – полусумме
(зеленая линия). Видно, что кривые отличны по знаку, однако и форма их также различна.
Спад магнитной составляющей хорошо описывается суммой двух экспонент с временами релаксации 1.61 ± 0.03 пс и 106 ± 6 пс. Данный
вклад в поворот плоскости поляризации обусловлен предположительно наведенной импульсом накачки анизотропией коэффициента
отражения пленки. Быстрая релаксация скорее всего связана с установлением равновесия между электронным и решеточным тепловыми
резервуарами и обусловлен электрон-фононным взаимодействием. Определение природы компоненты с временем релаксации 106 пс
требует дальнейших исследований.
Образецп представлял собой тонкую пленку упорядоченного сплава
FePt с толщиной 100 нм, синтезированной методом магнетронного
распыления.
60
-15
3
40
20
1
0
0
0.5 пс
2 пс
5 пс
10 пс
100 пс
800 пс
1600 пс
-20
-1
B = - 0.45 T
B = + 0.45 T
немагнитный вклад
МОЭК
= 1.61 +- 0.03 пс
-2
2 = 106 +- 6 пс
0
2
4
6
8 10
-40
-60
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0
5
10
15
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
B, Tл
Рисунок 4. Зависимости статического МОЭК от
приложенного поля в полярной конфигурации
для различных времён задержки между
импульсами накачки и зондирования
Рисунок 5. Зависимости индуцированной
накачкой модификации статического МОЭК от
приложенного поля в полярной конфигурации
для различных времён задержки между
импульсами накачки и зондирования
t, пс
времени задержки между импульсами накачки и
зондирования (черная и красная линии), магнитный
(синяя) и немагнитный (зеленая) вклады в угол
поворота Керра. Фиолетовой линией показан результат
аппроксимации
-5
B, Tл
400 800 1200 1600
Рисунок 3. Зависимости угла поворота Керра от
0.5 пс
2 пс
5 пс
10 пс
100 пс
800 пс
1600 пс
-10
K, мрад
K, мрад
2
-2
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки по исследованию
сверхбыстрой динамики намагниченности.
20
k (мрад)
Для материалов, используемых в магнитной записи, важной
характеристикой является размер магнитного зерна. По мере
увеличения плотности информации магнитный размер зерна
уменьшается, зерна могут становиться суперпарамагнитными и их
магнитное состояние оказывается термически неустойчивым. Во
избежание термических неустойчивостей уменьшение объема
магнитных доменов должно достигаться путем повышения
магнитокристаллической анизотропии Ku. В этом плане интересным
для изучения материалом является тонкая пленка соединения FePt.
Этот материал является ферромагнетиком с большим коэффициентом
анизотропии (Ku ≈ 7·107 erg/cm3) [1] и слабым взаимодействием
между магнитными частицами, что позволяет достичь линейных
размеров магнитных зёрен до 3-4 нм.
В данной работе методами стационарного и времяразрешённого
магнитооптического эффекта Керра (МОЭК) исследовалась тонкая
магнитная пленка FePt с перпендикулярной анизотропией.
На рисунке 1 показана блок-схема используемой установки на базе
фемтосекундного лазера марки Legend-USP компании COHERENT. На
выходе лазера мы имеем импульсы длительностью 50 фс с
центральной длиной волны 800 нм и частотой следования импульсов
1 кГц. Мерой намагниченности является угол поворота плоскости
поляризации света зондирования, отраженного от образца
(магнитооптический эффект Керра). Угол поворота плоскости
поляризации определяется по разности интенсивностей двух
ортогонально поляризованных компонент света зондирования после
взаимодействия с образцом. Интенсивности этих двух компонент
детектируются фотодиодами фирмы HAMAMATSU.
В схеме установки предусмотрена возможность её перестройки для
измерения МОЭК в различных конфигурациях: меридиональной (а)
или полярной (б).
40
k , мрад
II Международная школаконференция студентов,
аспирантов и молодых ученых
«Биомедицина, материалы и
технологии XXI века»
С целью установить влияние накачки на коэрцетивную силу плёнки были измерены зависимости угла вращения Керра от приложенного
внешнего поля при различных временах задержки между импульсами накачки и зондирования (рисунок 4). На рисунке 5 представлена
индуцированная импульсом накачки модификация угла поворота Керра. На полученных графиках какого-либо значимого изменения
коэрцетивого поля плёнки не наблюдается.
-0.008
0.04
B = - 0.45 T
B = + 0.45 T
немагнитный вклад
МОЭК
= 34.89 +- 1.01 пс
2 = 4.06 +- 0.11 пс
0.009
0.006
K мрад
0.012
-0.004
0.02
K мрад
0.015
мрад
0.5 ps
2 ps
5 ps
10 ps
100 ps
800 ps
1600 ps
-0.006
0.018
-0.002
0.00
0.5 ps
2 ps
5 ps
10 ps
100 ps
800 ps
1600 ps
-0.02
0.003
0.002
0.004
0.006
-0.04
0.000
0.000
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
-2
0
2
4
6
8
10
400
800
1200
1600
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
t, пс
B, Tл
B, Tл
Рисунок 3. Зависимости эллиптичности от времени
задержки между импульсами накачки и зондирования
(черная и красная линии), магнитный (синяя) и
немагнитный (зеленая) вклады в угол поворота Керра.
Фиолетовой линией показан результат аппроксимации
Рисунок 4. Зависимости статического МОЭК от
приложенного поля в полярной конфигурации
для различных времён задержки между
импульсами накачки и зондирования
Рисунок 5. Зависимости индуцированной
накачкой модификации статического МОЭК от
приложенного поля в полярной конфигурации
для различных времён задержки между
импульсами накачки и зондирования
Динамика мнимой составляющей угла поворота Керра, эллиптичности, представлена на рисунке 6. Здесь спад магнитной составляющей
описывается суммой экспонент с временами релаксации 34.89 +- 1.01 пс и 4.06 +- 0.11 пс.
4. Обсуждение
5. Заключение
6. Ссылки
[1] Akdogan, N., et. al. J. Phys.: Condens. Matter., 2005, 17, 359-366.
[2] Akdogan, N., et. al. J. Phys. D: Appl. Phys., 2009, 42, 115005-1-11.
[3] Manghnani, H., et. al. J. Geophys. Res. , 1969., 74, 4317-4328.

2.

Micra-5
Legend Elite USP
1 кГц
800 нм
35 фс
Линия
задержки
t
поляризатор
λ/2
зондирование
Меридиональная
геометрия
нелинейный
кристалл (BBO) Фильтр
Полярная
геометрия
S
модулятор
S
накачка (400 нм)
Legend Elite USP
Образец
1 кГц
800 нм
35 фс
N
Фотодиод
Призма
Волластона
Синхронный
детектор
Фотодиод
Micra-5
Legend Elite USP
1 кГц
800 нм
35 фс
модулятор
нелинейный
кристалл (BBO)
Фильтр
накачка (400 нм)
Образец
поляризатор
Линия
задержки
λ/2
зондирование
t
Фотодиод
Синхронный
детектор
N