Магнитооптика и оптомагнетизм в наноструктурах

Обложка
  • Авторы: Игнатьева Д.О.1,2,3, Присяжнюк А.В.2, Кричевский Д.М.3,4, Белотелов В.И.1,2,3
  • Учреждения:
    1. Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова
    2. Крымский федеральный университет им. В.И.Вернадского
    3. Российский квантовый центр
    4. Московский физико-технический институт (государственный университет)
  • Выпуск: Том 53, № 8 (2023)
  • Страницы: 597-608
  • Раздел: Обзоры (по материалам xlvii вавиловских чтений по люминесценции, москва, 12 апреля 2023 г.)
  • URL: https://journal-vniispk.ru/0368-7147/article/view/255474
  • ID: 255474

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Переход от однородных материалов к материалам, структурированным на масштабах меньше длины волны излучения, позволяет управлять взаимодействием света с веществом за счет возбуждения и перестройки различных оптических мод структуры. Описываются новые явления и эффекты, возникающие при взаимодействии света с наноструктурированными магнитными материалами. Наноструктурирование играет важную роль как для магнитооптики (воздействие намагниченности материала на световую волну), приводя к значительному усилению магнитооптических эффектов и даже к появлению новых эффектов, так и для оптомагнетизма (воздействие лазерных импульсов на намагниченность), открывая возможность для трехмерной магнитной записи и возбуждения обменных спиновых волн. Если масштаб структуры становится порядка десятков и даже единиц нанометров, то начинают проявляться квантовые свойства, которые перспективны для использования магнитных наноструктур для квантовых технологий.

Об авторах

Д. О. Игнатьева

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова; Крымский федеральный университет им. В.И.Вернадского; Российский квантовый центр

Автор, ответственный за переписку.
Email: belotelovvi@gmail.com
Россия, Москва, Ленинские горы, 119991; Симферополь, просп. Акад. Вернадского, 4, 295007; Москва, Большой бульвар, д. 30, 121353

А. В. Присяжнюк

Крымский федеральный университет им. В.И.Вернадского

Email: belotelovvi@gmail.com
Симферополь, просп. Акад. Вернадского, 4, 295007

Д. М. Кричевский

Российский квантовый центр; Московский физико-технический институт (государственный университет)

Email: belotelovvi@gmail.com
Россия, Москва, Большой бульвар, д. 30, 121353; Московская обл., Долгопрудный, Институтский пер., 9, 141700

В. И. Белотелов

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова; Крымский федеральный университет им. В.И.Вернадского; Российский квантовый центр

Email: belotelovvi@gmail.com
Россия, Москва, Ленинские горы, 119991; Симферополь, просп. Акад. Вернадского, 4, 295007; Москва, Большой бульвар, д. 30, 121353

Список литературы

  1. Kimel A., Zvezdin A., Sharma S., Shallcross S., De Sousa N., García-Martín A., Vavassori P. J. Phys. D: Appl. Phys., 55 (46), 463003 (2022).
  2. Ignatyeva D.O., Krichevsky D.M., Belotelov V.I., Royer F., Dash S., Levy M. J. Appl. Phys., 132 (10), 100902 (2022).
  3. Qin J., Xia S., Yang W., Wang H., Yan W., Yang Y., Bi L., Nanophotonics, 11 (11), 2639 (2022).
  4. Barsukova M.G., Shorokhov A.S., Musorin A.I., Neshev D.N., Kivshar Y.S., Fedyanin A.A. ACS Photonics, 4, 2390 (2017).
  5. Xia S., Ignatyeva D.O., Liu Q., Wang H., Yang W., Qin J., Chen Y., Duan H., Luo Y., Novák O., Veis M., Deng L., Belotelov V.I., Bi L. Laser Photonics Rev., 16 (8), 2200067 (2022).
  6. De Sousa N., Froufe-Pérez L.S., Saénz J.J., Garciá-Martín A. Sci. Rep., 6, 1 (2016).
  7. Zouros G.P., Tsakmakidis K.L., Kolezas G.D., Almpanis E., Baskourelos K., Stefański T.P. Nanophotonics, 9, 4033 (2020).
  8. Barsukova M.G., Musorin A.I., Shorokhov A.S., Fedyanin A.A. APL Photonics, 4, 016102 (2019).
  9. Musorin A.I., Barsukova M.G., Shorokhov A.S., Luk’yanchuk B.S., Fedyanin A.A. J. Magn. Magn. Mater., 459, 165 (2018).
  10. Abendroth J.M., Solomon M.L., Barton D.R., El Hadri M.S., Fullerton E.E., Dionne J.A. Adv. Opt. Mater., 8, 1 (2020).
  11. Christofi A., Kawaguchi Y., Alù A., Khanikaev A.B. Opt. Lett., 43, 1838 (2018).
  12. Xia S., Ignatyeva D.O., Liu Q., Qin J., Kang T., Yang W., Chen Y., Duan H., Deng L., Long D., Veis M., Belotelov V.I., Bi L. ACS Photonics, 9 (4), 1240 (2022).
  13. Yang W., Liu Q., Wang H., Chen Y., Yang R., Xia S., Luo Y., Deng L., Qin J., Duan H., Bi L. Nat. Commun., 13, 1719 (2022).
  14. Belotelov V.I., Kalish A.N., Zvezdin A.K., Gopal A.V., Vengurlekar A.S. JOSA B, 29, 294 (2012).
  15. Belotelov V.I., Doskolovich L.L., Zvezdin A.K. Phys. Rev. Lett., 98 (7), 077401 (2007).
  16. Krichevsky D.M., Kalish A.N., Kozhaev M.A., Sylgacheva D.A., Kuzmichev A.N., Dagesyan S.A., Achanta V.G., Popova E., Keller N., Belotelov V.I. Phys. Rev. B, 102 (14), 144408 (2020).
  17. Gamet E., Varghese B., Verrier I., Royer F. J. Phys. D: Appl. Phys., 50, 495105 (2017).
  18. Royer F., Varghese B., Gamet E., Neveu S., Jourlin Y., Jamon D. ACS Omega, 5, 2886 (2020).
  19. Bsawmaii L., Gamet E., Royer F., Neveu S., Jamon D. Opt. Express, 28, 8436 (2020).
  20. Воронов A.A., Игнатьева Д.O., Карки Д., Кожаев M.A., Калиш A.Н., Леви M., Белотелов В.И. Письма в ЖЭТФ, 112 (11), 759 (2020) [JETP Lett., 112, 720 (2020)].
  21. Zimnyakova P.E., Ignatyeva D.O., Karki D., Voronov A.A., Shaposhnikov A.N., Berzhansky V.N., Belotelov V.I. Nanophotonics, 11 (1), 119 (2021).
  22. Belotelov V.I., Kreilkamp L.E., Kalish A.N., Akimov I.A., Bykov D.A., Kasture S., Yallapragada V.J., Gopal A.V., Grishin A.M., Khartsev S.I., Nur-E-Alam M., Vasiliev M., Doskolovich L.L., Yakovlev D.R., Alameh K., Zvezdin A.K., Bayer M. Phys. Rev. B, 89, 045118 (2014).
  23. Khramova A.E., Ignatyeva D.O., Kozhaev M.A., Dagesyan S.A., Berzhansky V.N., Shaposhnikov A.N., Belotelov V.I. Opt. Express, 27 (23), 33170 (2019).
  24. Belotelov V.I., Bykov D.A., Doskolovich L.L., Kalish A.N., Kotov V.A., Zvezdin A.K. Opt. Lett., 34, 398 (2009).
  25. Voronov A.A., Karki D., Ignatyeva D.O., Kozhaev M.A., Levy M., Belotelov V.I. Opt. Express, 28, 17988 (2020).
  26. Bsawmaii L., Gamet E., Neveu S., Jamon D., Royer F. Opt. Mater.Express, 12, 513 (2022).
  27. Krichevsky D.M., Xia S., Mandrik M.P., Ignatyeva D.O., Bi L., Belotelov V.I. Nanomaterials, 11 (11), 2926 (2021).
  28. Borovkova O.V., Hashim H., Ignatyeva D.O., Kozhaev M.A., Kalish A.N., Dagesyan S.A., Belotelov V.I. Phys. Rev. B, 102 (8), 081405 (2020).
  29. Ignatyeva D.O., Karki D., Voronov A.A., Kozhaev M.A., Krichevsky D.M., Chernov A.I., Levy M., Belotelov V.I. Nat. Commun., 11, 5487 (2020).
  30. Chernov A.I., Kozhaev M.A., Ignatyeva D.O., Beginin E.N., Sadovnikov A.V., Voronov A.A., Karki D., Levy M., Belotelov V.I. Nano Lett., 20, 5259 (2020).
  31. Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing T. Rev. Mod. Phys., 82 (3), 2731 (2010).
  32. Krichevsky D.M., Ignatyeva D.O., Ozerov V.A., Belotelov V.I. Phys. Rev. Appl., 15, 034085 (2021).
  33. Belotelov V.I., Zvezdin A.K. Phys. Rev. B, 86, 155133 (2012).
  34. Kolodny S., Yudin D., Iorsh I. Nanoscale, 11, 2003 (2019).
  35. Chekhov A.L., Stognij A.I., Satoh T., Murzina T.V., Razdolski I., Stupakiewicz A. Nano Lett., 18, 2970 (2018).
  36. Zimnyakova P.E., Ignatyeva D.O., Kalish A.N., Han X., Belotelov V.I. Opt. Lett., 47 (23), 6049 (2022).
  37. Inoue M., Arai K., Fujii T., Abe M. J. Appl. Phys., 85, 5768 (1999).
  38. Steel M.J., Levy M., Osgood R.M. IEEE Photonics Technol. Lett., 12, 1171 (2000).
  39. Inoue M., Levy M., Baryshev A.V. Magnetophotonics: From Theory to Applications (Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2013).
  40. Goto T., Baryshev A.V., Inoue M., Dorofeenko A.V., Merzlikin A.M., Vinogradov A.P., Granovsky A.B. Phys. Rev. B, 79 (12), 125103 (2009).
  41. Goto T., Dorofeenko A.V., Merzlikin A.M., Baryshev A.V., Vinogradov A.P., Inoue M., Granovsky A.B. Phys. Rev. Lett., 101 (11), 113902 (2008).
  42. Ignatyeva D.O., Golovko P.V., Belotelov V.I. Magnetochemistry, 9 (2), 54 (2023).
  43. Ignatyeva D.O., Belotelov V.I. Opt. Lett., 45 (23), 6422 (2020).
  44. Golovko P.V., Ignatyeva D.O., Kalish A.N., Belotelov V.I. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys., 85, 25 (2021).
  45. Kozhaev M.A., Chernov A.I., Sylgacheva D.A., Belotelov V.I. Sci. Rep., 8, 11435 (2018).
  46. Vasiliev M., Nur-E-Alam M., Kotov V.A., Alameh K., Belotelov V.I., Burkov V.I., Zvezdin A.K. Opt. Express, 17, 19519 (2009).
  47. Sylgacheva D.A., Khokhlov N.E., Gerevenkov P.I., Belotelov V.I. Nanophotonics, 11 (13), 3169 (2022).
  48. Gurevich A.G., Melkov G.A. Magnetization Oscillation and Waves (CRC press, 1996).
  49. Ozerov V.A., et al. J. Magn. Magn. Mater., 543, 168167 (2022).
  50. Krichevsky D.M., et al. arXiv preprint arXiv:2310.01984 (2023).
  51. Shayegan K.J., Zhao B., Kim Y., Fan S., Atwater H.A. Sci. Adv., 8, eabm4308 (2022).
  52. Rizal C., Manera M.G., Ignatyeva D.O., Mejía-Salazar J.R., Rella R., Belotelov V.I., Maccaferri N. J. Appl. Phys., 130 (23), 230901 (2021).
  53. Homola J., Piliarik M. Surface plasmon resonance (SPR) sensors (Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2006, pp 45-67).
  54. Ignatyeva D.O., Knyazev G.A., Kapralov P.O., Dietler G., Sekatskii S.K., Belotelov V.I. Sci. Rep., 6 (1), 28077 (2016).
  55. Игнатьева Д.O., Капралов П.O., Князев Г.A., Секацкий С.К., Дитлер Дж., Нюр-E-Алам M., Васильев М., Аламек К., Белотелов В.И. Письма в ЖЭТФ, 104 (10), 689 (2016) [JETP Lett., 104, 679 (2016)].
  56. Borovkova O.V., Ignatyeva D.O., Sekatskii S.K., Karabchevsky A., Belotelov V.I. Photonics Research, 8 (1), 57 (2020).
  57. Ignatyeva D.O., Knyazev G.A., Kalish A.N., Chernov A.I., Belotelov V.I. J. Phys. D: Appl. Phys., 54 (29), 295001 (2021).
  58. Belyaev V.K., Rodionova V.V., Grunin A.A., Inoue M., Fedyanin A.A. Sci. Rep., 10 (1), 7133 (2020).
  59. Ignatyeva D.O., Belotelov V.I. Nanomaterials, 12 (23), 4180 (2022).
  60. Dutta A., Kildishev A.V., Shalaev V.M., Boltasseva A., Marinero E.E. Opt. Mater. Express, 7 (12), 4316 (2017).
  61. Chu A.H., Beauchamp B., Shah D., Boltasseva A., Shalaev V.M., Marinero E.E. Opt. Mater. Express, 10 (12), 3107 (2020).
  62. Ignatyeva D.O., Davies C.S., Sylgacheva D.A., Tsukamoto A., Yoshikawa H., Kapralov P.O., Kirilyuk A., Belotelov V.I., Kimel A.V. Nat. Commun., 10 (1), 4786 (2019).
  63. Borovkova O.V., Ignatyeva D.O., Belotelov V.I. Sci. Rep., 11 (1), 2239 (2021).
  64. Krichevsky D.M., Gusev N.A., Ignatyeva D.O., Prisyazhnyuk A.V., Semuk E.Yu., Polulyakh S.N., Berzhansky V.N., Zvezdin A.K., Belotelov V.I. Phys. Rev. B, (2023) (in print).
  65. Clark A.E., Callen E. J. Appl. Phys., 39, 5972 (1968).
  66. Davydova M.D., Zvezdin K.A., Kimel A.V., Zvezdin A.K. J. Phys. Condens. Matter, 32, 01LT01 (2020).
  67. Davydova M.D., Zvezdin K.A., Becker J., Kimel A.V., Zvezdin A.K. Phys. Rev. B, 100, 064409 (2019).
  68. Sabdenov Ch.K., Davydova M.D., Zvezdin K.A., Zvezdin A.K. Low Temp. Phys., 43, 551 (2017).
  69. Zvezdin A.K., Popkov A.F. Solid State Phys., 16, 1082 (1974).
  70. Parchenko S., Satoh T., Yoshimine I., Stupakiewicz A. Appl. Phys. Lett., 108, 1 (2016).
  71. Parchenko S., Stupakiewicz A., Yoshimine I., Satoh T., Maziewski A. Appl. Phys. Lett., 103, 1 (2013).
  72. Reid A.H.M., Kimel A.V., Kirilyuk A., Gregg J.F., Rasing Th. Phys. Rev. Lett., 105, 107402 (2010).
  73. Deb M., Molho P., Barbara B., Bigot J.Y. Phys. Rev. B, 97, 1 (2018).
  74. Deb M., Molho P., Barbara B., Bigot J.Y. Phys. Rev. B, 94, 1 (2016).
  75. Kaplan J., Kittel C. J. Chem. Phys., 21, 760 (1953).
  76. Kittel C. Phys. Rev., 73, 155 (1948).
  77. Deb M., Molho P., Barbara B. Phys. Rev. B, 105, 014432 (2022).
  78. Sahoo R., Wollmann L., Selle S., Nayak A.K. Adv. Mater., 28, 8499 (2016).
  79. Kumar V., Kumar N., Reehuis M., Felser C. Phys. Rev. B, 101, 014424 (2020).
  80. Choi W.-Y., Yoo W., Jung M.-H. NPG Asia Mater., 13, 79 (2021).
  81. Hirata Y., Kim D.-H., Kim S.K., Ono T. Nat. Nanotechnol., 14, 232 (2019).
  82. Céspedes-Berrocal D., Damas H., Petit-Watelot S., Rojas-Sanchez J.-C. Adv. Mater., 33, 2007047 (2021).
  83. Белотелов В.И., Озеров В.А., Звездин А.К. Письма в ЖЭТФ (2023) (на рассмотрении).
  84. Levy M., Borovkova O.V., Sheidler C., Blasiola B., Karki D., Jomard F., Kozhaev M.A., Popova E., Keller N., Belotelov V.I. Optica, 6 (5), 642 (2019).
  85. Звездин А.К., Мухин А.А. Краткие сообщения по физике, № 12, 10 (1981).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис.1. Магнитооптика резонансов Ми: спектры рассеяния сферической частицы кремния в свободном пространстве [2] (а), спектр пропускания и магнитооптического отклика (модуляция интенсивности) в метаповерхности на основе a-Si:H, покрытого слоем Ni толщиной 5 нм [4] (б), TMOKE в s-поляризованном свете и полярный эффект Керра в метаповерхности на основе решетки нанодисков Si на поверхности CeYIG/YIG [5] (в).

Скачать (585KB)
Метаданные
3. Рис.2. Магнитооптика и оптомагнетизм нанофотонных решеток: усиление эффекта Фарадея в магнитоплазмонной двумерной решетке [16] (а), усиление ЭЭК в полностью диэлектрической двумерной решетке феррит-граната [29] (б), возбуждение стоячих спиновых волн в диэлектрической одномерной решетке граната за счет возбуждения волноводных мод [30] (в).

Скачать (2MB)
Метаданные
4. Рис.3. ОЭФ в МФК: усиление эффекта Фарадея в МФК [41] (а), гигантское усиление ОЭФ на микрорезонаторной моде МФК [45] (б), селективное возбуждение спиновой динамики в различных слоях МФК [47] (в).

Скачать (2MB)
Метаданные
5. Рис.4. Приложения магнитофотонных наноструктур: сенсор химических веществ (показателя преломления) [54] (а), сенсор магнитного поля [57] (б), селективное по толщине переключение намагниченности в магнитоплазмонной структуре на основе слоев GdFeCo и Si3N4 [62] (в).

Скачать (2MB)
Метаданные
6. Рис.5. Фазовая диаграмма ферримагнетика с точкой компенсации при внешнем магнитном поле, перпендикулярном легкой оси (а), принципиальная схема накачки-зондирования для пленки [111] с анизотропией типа «легкая ось» (б), спиновая динамика, возбуждаемая в образце фемтосекундными лазерными импульсами и наблюдаемая по эффекту Фарадея для луча зондирования (в). Фазовый переход второго рода реализуется при 2.8 кЭ и сопровождается уменьшением частоты и увеличением амплитуды спиновой прецессии.

Скачать (754KB)
Метаданные
7. Рис.6. Cхема образца магнитной квантовой точки и магнитных полей (а), а также энергетические уровни кубита на базе магнитной квантовой точки из феррита-граната с точкой компенсации (б). При расчете использованы следующие параметры системы: H = 1000 Э, hx = 100 Э, константа одноосной магнитной анизотропии Ku = 5000 эрг/см3, обменное поле 6 МЭ, магнитная квантовая точка имеет диаметр 15 нм и толщину 1.2 нм.

Скачать (317KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».