Исследователи научились управлять длиной волны отражённого лазерного луча при помощи электричества

Российские учёные обнаружили новый электрооптический эффект — электрическое переключение частоты лазерного луча, отражённого от поверхности металлической плёнки. Это явление может быть использовано для считывания информации в элементах магнитной памяти или для создания лазеров с перестраиваемой частотой, а также для электрооптических приборов нового поколения. Работа опубликована в Physical Review B.

Свет, проходя через тонкую плёнку ферромагнетика, взаимодействует со спиновыми волнами (магнонами). При этом при отражении света от ферромагнетика к энергии фотона может добавляться или вычитаться из неё энергия теплового магнона. Это даёт возможность получать частотный спектр отражённого луча, в котором частота модулирована тепловыми спиновыми волнами. Происходит неупругое рассеяние падающих фотонов на магнонах, которое подчиняется правилам отбора (закону сохранения энергии и импульса). В результате отражённый свет содержит информацию о том, какие спиновые волны имеются в ферромагнитной плёнке. Такая методика называется Бриллюэновским рассеянием света на спиновых волнах.

В своей новой работе российские учёные использовали это явление для того, чтобы исследовать спиновый ток в антиферромагнитной плёнке. С антиферромагнетиком трудно работать потому, что намагниченность этого материала мала. Чтобы решить проблему, на антиферромагнетик нанесли ферромагнетик и действовали по схеме, описанной выше. Если в антиферромагнетике что-либо происходит, спектр Бриллюэновского рассеяния света в соседнем ферромагнитном слое немедленно откликается даже на небольшие изменения в антиферромагнетике. Проводя данные эксперименты в образцах нанометровой толщины, физики обнаружили новый эффект: изменение цвета отражённого луча во время протекания тока по антиферромагнетику.

Первый автор работы Максим Бахметьев, к. ф.-м. н., младший научный сотрудник Российского квантового центра, рассказывает: «Полученный результат открывает новый электрооптический эффект — электрическое переключение частоты лазерного луча, отражённого от поверхности металлической ферромагнитной плёнки. Пропускание тока вдоль ферромагнитного “зеркала” приводит к изменению частоты отражённого от поверхности лазерного луча».

Учёный объяснил, что при пропускании электрического тока происходит спиновая поляризация носителей заряда в ферромагнитном слое. Затем эти носители заряда попадают в антиферромагнитный слой, в область, прилежащую к ферромагнетику. Намагничивание этого слоя ведёт к изменению направления намагничивания ферромагнетика. Изменение в ферромагнетике ведёт к изменению частоты отражённого луча.

Физики также показали, как с помощью спин-поляризованного тока можно оказывать влияние на спиновые волны. Если пропускать через образец спин-поляризованный ток, то таким образом можно управлять направлением и импульсом спиновой волны. От этих параметров будет зависеть и изменение частоты лазерного света после прохождения образца.

Д. ф.-м. н. Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ и РКЦ, добавляет: «Использование тонких плёнок антиферромагнетика толщиной в несколько нанометров позволило реализовать управление спиновыми волнами в прилежащем слое магнитного материала. Был обнаружен новый эффект, который заключается в изменении частоты рассеянного света при взаимодействии с созданной магнитной наноструктурой. Следующим этапом будет являться демонстрация данного эффекта для гетероструктур на основе монослоев двумерных магнитных материалов».

Максим Бахметьев делится планами: «Мы планируем применить обнаруженный эффект для сверхбыстрого магнитооптического переключения частоты света, отражённого от ферромагнетика. Короткий импульс электрического тока эффективно переключает частоту луча, отражённого от зеркальной поверхности тонкоплёночной структуры пермаллой — антиферромагнетик»

Исследование провели учёные из Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ, Российского квантового центра и ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН.