Рис.15. Величина оптически индуцированного напряжения для образцов: Py[4 nm]/Ta[1 nm], W[5 nm]/Py[4 nm]/Ta[1 nm], Cr:[25 nm]/Py[4 nm]/Ta[1nm].
Для определения влияния слоев пермаллоя и тантала на величину индуцированного напряжения мы исследовали набор образцов типа состоящих из слоя пермаллоя толщиной 4-8 нм, покрытых 1нм тантала (рис.16). Видно, что индуцированное напряжение зависит от толщины пермаллоя линейно. Это можно объяснить увеличением градиента температур для образцов с пермаллоем большей толщины. Для более толстых образцов градиент температуры растет из-за увеличения поглощения света. Это подтверждается расчётами в пакете Comsol Multiphysics. Также из уравнений (13) и (14) видно, что напряжения и пропорциональны , а это значит, что индуцированное линейно зависит от толщины пермаллоя.
Рис.16. Зависимость оптически индуцированного напряжения от толщины слоя пермаллоя для образцов типа Py/Ta.
5.3 Оценка изменения параметра затухания
Оптически возбуждая спиновый ток в структурах мы увеличиваем в них затухание прецессии намагниченности. Изменение параметра затухания можно оценить из уравнений (5),(10) и закона Ома:
где R - сопротивление структуры, l и h размер проводящих слоев по осям Z и X.
Используя уравнение (15), и зная параметр затухания Гильберта для пермаллоя , нами была получена оценка изменения затухания ~ . Данное изменение затухания является незначительным, но при использовании структур с меньшими геометрическими параметрами, а также возбуждении спинового тока с помощью фемтосекундных лазерных импульсов параметр затухания может быть увеличен на несколько порядков.
Заключение
Были получены зависимости величины экваториального магнитооптического эффекта Керра от напряженности внешнего магнитного поля. При увеличении толщины слоя пермаллоя в образцах Cr:Bi?Se?[25нм]/Py[4-10нм]/Ta[1нм] с 4 до 10 нм величина эффекта Керра увеличивается в 2 раза. При наноструктурировании пермаллоя в образцах Bi?Se?[25нм]/Py[4нм]/Ta[1нм] магнитная анизотропия изменяется, а в образцах W[5нм]/Py[4нм]/Ta[1нм] остается неизменной. Также при наноструктурировании данных образцов уменьшение эффекта Керра нелинейно зависит от изменения степени покрытия поверхности пермаллоем. Увеличение диаметров нанодисков из пермаллоя с 200 до 500 нм в образцах Cr:Bi?Se?[25нм]/Py[10нм]/Ta[1нм] при одинаковой степени покрытия поверхности пермаллоем ведет к увеличению экваториального магнитооптического эффекта Керра в 2,5 раза.
Была продемонстрирована оптическая генерация спинового тока, а также его детектирование с помощью обратного спинового эффекта Холла. Проведена оценка вкладов обратного спинового эффекта Холла и аномального эффекта Нернста в оптически индуцированное напряжение. Показано, что для образцов, содержащих различные материалы с большим спин-орбитальным взаимодействием вклад напряжения от аномального эффекта Нернста и обратного спинового эффекта Холла, могут иметь как одинаковые знаки, так и разные. Показано, что оптически индуцированное напряжение линейно зависит от намагниченности; также оно растет при увеличении толщины ферромагнитного слоя в структуре, за счет увеличения поглощения и роста градиента температур.
Проведена оценка увеличения параметра затухания Гильберта при возникновении в системе спинового тока.
Благодарности
В заключение хочу выразить благодарность моему научному руководителю, доктору физико-математических наук, профессору Звездину Анатолию Константиновичу за постановку задачи, интересные дискуссии и за возможность работать в таком замечательном коллективе. Благодарю руководителя группы «Магнитоплазмоника и сверхбыстрый магнетизм» Российского квантового центра, доктора физико-математических наук, Белотелова Владимира Игоревича за научные дискуссии и ценные рекомендации по моей работе. Также хочу поблагодарить заведующего базовой кафедрой квантовых технологий ИОФ РАН, доктора физико-математических наук, Ельцова Константина Николаевича за неравнодушное руководство кафедрой и научные семинары, которые научили разбираться даже в самых непонятных статьях. Благодарю старшего научного сотрудника Российского квантового центра, кандидата физико-математических наук, Капралова Павла Олеговича за неоценимую помощь в проведении экспериментов, а также старшего научного сотрудника Российского квантового центра Кожаева Михаила Александровича, который фактически был моим вторым научным руководителем, помогал разобраться во всех непонятных моментах и всему учил.
Благодарю профессора Юнг-Чун-Эндрю Хуанга из Национального университета Чэн Кунг и профессора Ву Чон Чинга из Национального университета образования Чанхуа за предоставленные образцы.
Также хочу поблагодарить весь коллектив научной группы «Магнитоплазмоника и сверхбыстрый магнетизм» Российского квантового центра за замечательную атмосферу и поддержку.
Список литературы
1. Кринчик Г. С. Физика магнитных явлений. - Изд-во Московского университета, 1976.
2. Ћutic I., Fabian J., and S. Das Sarma, Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004) //Rev. Mod. Phys. - 2004. - Т. 76. - С. 323.
3. Hirohata A., Takanashi K. Future perspectives for spintronic devices //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2014. - Т. 47. - №. 19. - С. 193001.V.I. Belotelov, et al. // Nat. Nanotechnol. 6, 370 (2011).
4. Belotelov V. I. et al. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals //Nature Nanotechnology. - 2011. - Т. 6. - №. 6. - С. 370.
5. Hu W. J. et al. Optically controlled electroresistance and electrically controlled photovoltage in ferroelectric tunnel junctions //Nature communications. - 2016. - Т. 7. - С. 10808.
6. Wolf S. A. et al. Spintronics: a spin-based electronics vision for the future //Science. - 2001. - Т. 294. - №. 5546. - С. 1488-1495.A.
7. Politano A., Viti L., Vitiello M. S. Optoelectronic devices, plasmonics, and photonics with topological insulators //APL Materials. - 2017. - Т. 5. - №. 3. - С. 035504.
8. Petrov P. N. et al. Inverse spin Hall effect in heterostructures “nanostructured ferromagnet/topological insulator” //EPJ Web of Conferences. - EDP Sciences, 2018. - Т. 185.
9. Han H. C. et al. Spin pumping and probe in permalloy dots-topological insulator bilayers //Applied Physics Letters. - 2017. - Т. 111. - №. 18. - С. 182411.
10. Звездин А. К., Котов В. А. Магнитооптика тонких пленок. - Наука, 1988.
11. Teixeira J. M. et al. Domain imaging, MOKE and magnetoresistance studies of CoFeB films for MRAM applications //Materials Science and Engineering: B. - 2006. - Т. 126. - №. 2-3. - С. 180-186.
12. Zvezdin A. K., Kotov V. A. Modern magnetooptics and magnetooptical materials. - CRC Press, 1997.
13. Belotelov V. I. et al. Intensity magnetooptical effect in magnetoplasmonic crystals //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2011. - Т. 303. - №. 1. - С. 012038.
14. Borovkova O. V. et al. TMOKE as efficient tool for the magneto-optic analysis of ultra-thin magnetic films //Applied Physics Letters. - 2018. - Т. 112. - №. 6. - С. 063101.
15. Маевский В. М., Болотин Г.А. К теории прохождения света через намагниченную пленку при учете слабой пространственной дисперсии. Случай экваториального намагничения //Физика металлов и металловедение. - 1973. - Т. 36. - С. 241.
16. Дружинин А. В. и др. Наблюдение нечетного эффекта изменения интенсивности света при его прохождении через экваториально намагниченную ферромагнитную пленку //Письма в ЖТФ. - 1981. - Т. 7. - С. 1100.
17. Дружинин А. В. и др. Частотная дисперсия и угловая зависимость экваториального эффекта изменения интенсивности прошедшего света в пленках железа и кобальта //Физика металлов и металловедение. - 1983. - Т. 56. - С. 58.
18. Slonczewski J. C. Current-driven excitation of magnetic multilayers //Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 1996. - Т. 159. - №. 1-2. - С. L1-L7.
19. Tserkovnyak Y., Brataas A., Bauer G. E. W. Spin pumping and magnetization dynamics in metallic multilayers //Physical Review B. - 2002. - Т. 66. - №. 22. - С. 224403.
20. Mosendz O. et al. Detection and quantification of inverse spin Hall effect from spin pumping in permalloy/normal metal bilayers //Physical Review B. - 2010. - Т. 82. - №. 21. - С. 214403.
21. Hirsch J. E. Spin hall effect //Physical Review Letters. - 1999. - Т. 83. - №. 9. - С. 1834.
22. Dyakonov M. I., Perel V. I. Current-induced spin orientation of electrons in semiconductors //Physics Letters A. - 1971. - Т. 35. - №. 6. - С. 459-460.
23. Madoka Tainaka. Elucidation of spin current caused by properties of the electron as a magnet//Bulletin of Keio University Faculty of Science and Technology - 2015. - №21. - С.2.
24. N. F. Mott. The Resistance and Thermoelectric Properties of the Transition Metals // Proc. R. Soc. -- 1936. -- Т. 156. -- С. 368--382.
25. Saitoh E. et al. Conversion of spin current into charge current at room temperature: Inverse spin-Hall effect //Applied physics letters. - 2006. - Т. 88. - №. 18. - С. 182509.
26. Uchida K. et al. Observation of longitudinal spin-Seebeck effect in magnetic insulators //Applied Physics Letters. - 2010. - Т. 97. - №. 17. - С. 172505.
27. Uchida K. et al. Observation of the spin Seebeck effect //Nature. - 2008. - Т. 455. - №. 7214. - С. 778.
28. Nernst W. Ueber die electromotorischen Krдfte, welche durch den Magnetismus in von einem Wдrmestrome durchflossenen Metallplatten geweckt werden //Annalen der Physik. - 1887. - Т. 267. - №. 8. - С. 760-789.
29. Mizuguchi M. Control of anomalous Nernst effect in spintronic materials //Japanese Journal of Applied Physics. - 2018. - Т. 57. - №. 9. - С. 0902A6.
30. Kikkawa T. et al. Separation of longitudinal spin Seebeck effect from anomalous Nernst effect: Determination of origin of transverse thermoelectric voltage in metal/insulator junctions //Physical Review B. - 2013. - Т. 88. - №. 21. - С. 214403.
31. Uchida K. et al. Longitudinal spin Seebeck effect: from fundamentals to applications //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2014. - Т. 26. - №. 34. - С. 343202.
32. L. Landau and E. Lifshitz. Theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodie // Phys. Z. Sowjet. -- 1935. -- Т. 8. -- С. 153.
33. Gilbert T. L., Ekstein H. Basis of the domain structure variational principle //The Bulletin of the American Physical Society. - 1956. - Т. 1. - С. 25.
34. Gilbert T. L. A phenomenological theory of damping in ferromagnetic materials //IEEE transactions on magnetics. - 2004. - Т. 40. - №. 6. - С. 3443-3449.
35. Maciа F., Kent A. D., Hoppensteadt F. C. Spin-wave interference patterns created by spin-torque nano-oscillators for memory and computation //Nanotechnology. - 2011. - Т. 22. - №. 9. - С. 095301.
36. Sharad M., Augustine C., Roy K. Boolean and non-Boolean computation with spin devices //2012 International Electron Devices Meeting. - IEEE, 2012. - С. 11.6. 1-11.6. 4.
37. Grimaldi E. et al. Response to noise of a vortex based spin transfer nano-oscillator //Physical Review B. - 2014. - Т. 89. - №. 10. - С. 104404.
38. Yogendra K., Fan D., Roy K. Coupled spin torque nano oscillators for low power neural computation //IEEE Transactions on Magnetics. - 2015. - Т. 51. - №. 10. - С. 1-9.
39. Grollier J., Querlioz D., Stiles M. D. Spintronic nanodevices for bioinspired computing //Proceedings of the IEEE. - 2016. - Т. 104. - №. 10. - С. 2024-2039.
40. Torrejon J. et al. Neuromorphic computing with nanoscale spintronic oscillators //Nature. - 2017. - Т. 547. - №. 7664. - С. 428.
41. Tserkovnyak Y., Brataas A., Bauer G. E. W. Enhanced Gilbert damping in thin ferromagnetic films //Physical review letters. - 2002. - Т. 88. - №. 11. - С. 117601.
42. Звездин А. К., Звездин К. А., Хвальковский А. В. Обобщенное уравнение Ландау-Лифшица и процессы переноса спинового момента в магнитных наноструктурах //Успехи физических наук. - 2008. - Т. 178. - №. 4. - С. 436-442.
43. M. G. Moharam, E. B. Grann, D. A. Pommet, T. K. Gaylord, Formulation of stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings// JOSA A. - 1995. - Vol. 12. - P. 1068-1076.
44. L. Li, Fourier modal method for crossed anisotropic gratings with arbitrary permittivity and permeability tensors // Journ. Opt. A Pure Appl. Opt. - 2003. - Vol. 5. - P. 345-355.
45. Liu L. et al. Spin-torque switching with the giant spin Hall effect of tantalum //Science. - 2012. - Т. 336. - №. 6081. - С. 555-558.
46. Pai C. F. et al. Spin transfer torque devices utilizing the giant spin Hall effect of tungsten //Applied Physics Letters. - 2012. - Т. 101. - №. 12. - С. 122404.
47. Hoffmann A. Spin Hall effects in metals //IEEE transactions on magnetics. - 2013. - Т. 49. - №. 10. - С. 5172-5193.
48. Deorani P. et al. Observation of inverse spin Hall effect in bismuth selenide //Physical Review B. - 2014. - Т. 90. - №. 9. - С. 094403.
49. Schmid M. et al. Transverse spin Seebeck effect versus anomalous and planar Nernst effects in permalloy thin films //Physical review letters. - 2013. - Т. 111. - №. 18. - С. 187201.