Оптический сенсор магнитострикционной структуры

Екатеринбургские физики развивают новое направление спинтроники – стрейн-магнитооптику и исследуют магнитооптические эффекты в монокристаллах феррит-шпинели CoFe₂O₄, возникающие за счет магнитоупругих деформаций, что является важным для создания новых оптоэлектронных устройств.

Магнитострикционные материалы уже давно представляют повышенный интерес для изучения из-за их высокого прикладного значения. В таких материалах из-за сильного взаимодействия магнитных моментов и кристаллической решетки, внешнее магнитное поле ведет к значительной деформации решётки  и связанной с ней электронной структуры, что приводит к возникновению ряда линейных магнитооптических эффектов, которые можно наблюдать в видимой и инфракрасной (ИК)-области спектра. Такую область физики магнитных явлений в свое время назвали деформационной магнитооптикой.

В 90-годы прошедшего столетия советский, а ныне российский физик из Института физики металлов им. М.Н. Михеева доктор физ.-мат. наук Николай Георгиевич Бебенин дал теоретический прогноз возможного влияния магнитоупругих деформаций на поглощение света в шпинели. Для проверки этого прогноза теоретики и экспериментаторы Института сегодня изучают магнитооптические эффекты, связанные с влиянием магнитоупругих деформаций на поглощение неполяризованного света в магнитострикционных материалах.

     Прежде уральские физики обнаружили и исследовали эффект магнитоотражения света, затем изучили магнитопропускание естественного (неполяризованного) света в объемных монокристаллах феррит-шпинели CoFe₂O₄, обладающих максимальной среди полупроводников величиной магнитострикции, низкой электропроводностью и широким окном прозрачности (линейной дисперсией) в ИК-диапазоне. Ученые впервые установили прямую связь магнитопоглощения неполяризованного ИК-излучения с магнитострикцией в кристалле шпинели. Недавно ими был детально рассмотрен эффект Фарадея (ЭФ) для этого кристалла в ИК-области и предложены физические механизмы, ответственные за его формирование. Такие исследования магнитооптических (МО) явлений в феррит-шпинели CoFe₂O₄ дают ученым основания предложить новые возможности для ее практического применения в оптоэлектронике.

    Телегин Андрей Владимирович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией магнитных полупроводников Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г. Екатеринбург) – рассказал о результатах изучения МО свойств ферримагнитной шпинели,  в том числе об эффекте Фарадея в этом монокристалле,  а также, что изучает стрейн-магнитооптика и каковы текущие задачи ученых при исследовании свойств магнитострикционных материалов и структур.

«Природа магнитооптических эффектов в магнитных полупроводниках главным образом связана с наличием в них спонтанного магнитного момента ниже температуры фазового перехода и взаимодействием фотона с внутренними эффективными полями (внутрикристаллическим, обменным, спин-орбитальным и т.д.) и проявляется в виде изменения интенсивности и поляризации оптического излучения при его взаимодействии с магнетиком. Многочисленные исследования показали, что различные магнито- и электрооптические эффекты на основе изменения поляризации излучения достигают максимальных значений в видимой и ближней инфракрасной области спектра (так называемая область межзонных переходов). Именно в этой спектральной области работает большинство современных оптических устройств, хотя для нее характерны и максимальные оптические потери,

Андрей Телегин объяснил, что представляют собой изучаемые их группой магнитооптические эффекты в магнитных полупроводниках.

Известно, что в ИК-диапазоне (область внутризонных и примесных переходов) такие традиционные нечетные магнитооптические эффекты, как эффект Фарадея и Керра в силу их релятивистской природы малы. В то же время в большом цикле наших работ мы показали, что другие механизмы МО эффектов, не зависящих от поляризации излучения, такие, как эффекты магнитоотражения и магнитопропускания, могут достигать больших величин. Так, если пересчитать на изменение интенсивности, то для эффектов магнитопропускания и магнитоотражения неполяризованного ИК-излучения, полученная величина почти на порядок превышает изменение интенсивности сигнала, рассчитанное из эффекта Фарадея или Керра в этой же спектральной области».

Как отмечает физик, их работы как раз направлены «на изучение и поиск новых механизмов, ответственных за МО явления в неполяризованном свете, и материалов, в которых данные явления максимальны. К сожалению, таких материалов мало. К ним относятся некоторые виды шпинелей и манганиты с эффектом колоссального магнитосопротивления. В область исследований не включен видимый диапазон спектра, поскольку для этого необходимы другие типы магнитооптических установок».

Работа екатеринбургских специалистов демонстрирует методику получения магнитооптических эффектов в магнитных полупроводниках в естественном (неполяризованном) свете, а, следовательно, и потенциал для управления магнитным состоянием и оптическими свойствами вещества.

«Полученные нами эффекты магнитоотражения и магнитопоглощения света в ферримагнитной шпинели являются новым деформационно-индуцированным механизмом поглощения света в твёрдом теле в инфракрасном диапазоне спектра и представляют собой оптический отклик на магнитострикцию. Природа эффекта заключается в изменении параметров зонной структуры тела в результате искажения его кристаллической решетки под действием внешнего магнитного поля (эффект магнитострикции). Раздел физики, изучающий подобные эффекты, мы назвали стрейн-магнитооптикой (англ. strain-magneto-optics).

–  поясняет Андрей Телегин и говорит о том, где данные о полученных свойствах ферримагнитной шпинели могут найти  прикладное применение, –

Помимо фундаментальной значимости новые механизмы МО эффектов представляют и практический интерес для расширения функционала, так называемых, стрейнтронных элементов.  Как правило, в таких гибридных элементах механические деформации одного слоя позволяют управлять магнитным и электрическим состоянием, находящимся с ним в тесном контакте второго, управляемого слоя и наоборот. При этом практически не учитывается и не используется изменение оптических свойств таких структур.

Вместе с тем, стрейн-магнитооптика позволяет бесконтактно, напрямую оценивать деформацию активного слоя из анализа спектров магнитоотражения и/или магнитопоглощения света. Если стрейнтронику рассматривать с позиции возможностей создания логических элементов и устройств памяти со сверхнизким энергопотреблением, то стрейн-магнитооптика – это замена обычных (электронных) компонентов компьютера на их оптические эквиваленты. Это еще один шаг, например, на пути к фотонному компьютеру или к устройствам, отражением и поглощением света которых можно управлять локальным магнитным полем».

Так, идея, заложенная в работе Бебенина еще 30 лет назад, была реализована в рамках нынешнего проекта. Как заметил заведующий лабораторией магнитных полупроводников Андрей Телегин, «решение проблемы заключалось в создании высокочувствительной установки, работающей в ИК-диапазоне спектра, так как предполагалось регистрировать очень малое изменение света. Как видно, прогноз оказался правильным, а МО эффект куда больше, чем теоретические оценки, с чем еще теоретикам предстоит разбираться. Немаловажным оказался и весь наш многолетний опыт изучения МО эффектов в других магнитных оксидах в ИК-диапазоне спектра, который позволил нам сегодня четко выделить механизмы поглощения света, связанные с магнитоупругими свойствами, магниторефрактивным эффектом, носителями заряда, примесным поглощением и т.д. и подобрать оптимальный образец для планируемого эксперимента. Первая публикация в «Письмах в ЖЭТФ» по данной теме вышла в 2016 году».

Вся экспериментальная и теоретическая работа осуществлена силами сотрудников Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН под идейным руководством главного научного сотрудника, доктора физ.-мат. наук Юрия Петровича Сухорукова и главного научного сотрудника, доктора физ.-мат. наук Николая Георгиевича Бебенина. Экспериментом и обработкой данных занимаются: ведущий научный сотрудник, кандидат физ.-мат. наук Андрей Владимирович Телегин, старший научный сотрудник, кандидат физ.-мат. наук Владимир Дмитриевич Бессонов и младший научный сотрудник Валентина Анатольевна Бессонова.

Уральские ученые рассмотрели отдельные аспекты влияния магнитоупругих деформаций на поглощение света и отражение в ИК-области спектра в феррит-шпинели CoFe₂O₄ для различной геометрии приложения магнитного поля (AV TELEGIN, YU P SUKHORUKOV AND NG BEBENIN, STRAIN-MAGNETOOPTICS IN FERRITE-SPINEL – NEW MAGNETO-OPTICAL PHENOMENA ASSOCIATED WITH MAGNETOELASTIC INTERACTIONS,  JOURNAL OF PHYSICS: CONFERENCE SERIES 1389 (2019) 012108 IOP PUBLISHING DOI:10.1088/1742-6596/1389/1/012108))  

Как сообщает Андрей Телегин, «в этом исследовании были рассмотрены  зависимости магнитопоглощения света от ориентации кристалла в магнитном поле, что свидетельствует о наличии заметного вклада магнитоупругой анизотропии в магнитооптические свойства кристалла CoFe₂O₄. Как и в предыдущих работах,  было показано существование эффектов магнитопропускания (до 20 %) и магнитоотражения (до 4%) неполяризованного света в широкой ИК-области спектра до 16 мкм и их корреляция с магнитострикцией феррита».

Помимо этого, екатеринбургские специалисты провели теоретический анализ физических механизмов, ответственных за формирование спектров магнитопоглощения и магнитоотражения света для ферритов-шпинелей, и установили, что магнитное поле играет косвенную роль, а изменения коэффициента отражения и поглощения в магнитном поле обусловлены индуцированной магнитострикцией деформацией кристалла вдоль оси четвертого порядка. 

Как заметил Андрей Телегин, «нами было показано, что необходимым условием наблюдения «деформационно-наведенных» магнитооптических эффектов является наличие большой величины магнитострикции. Чисто магниторефрактивный эффект в CoFe₂O₄, связанный с магнитоупругими свойствами феррит-шпинели, на порядок превышает данные, например, для ортоферитов в видимой области, однако не может объяснить наблюдаемые гигантские эффекты в прошедшем и отраженном свете. А значит есть другие механизмы, ответственные за наблюдаемый магнитооптический отклик на магнитострикцию».

Одним из важных итогов многолетней работы екатеринбургских ученых Института физики металлов является изучение линейного магнитооптического эффекта Фарадея для полупроводникового материала CoFe₂O₄ (ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ В ФЕРРИТ-ШПИНЕЛИ CoFe2O4 В ИК-ДИАПАЗОНЕ  В «ПИСЬМА В ЖТФ», 2019, ТОМ 45, ВЫП. 12).

По словам заведующего лабораторией магнитных полупроводников Андрея Телегина, это исследование предоставило новые данные «по спектрам поглощения, эффекту Фарадея и магнитооптической добротности в ИК-диапазоне спектра (1-10 мкм) монокристалла феррит-шпинели CoFe₂O₄».

Ученый уточнил, какими функциональными и физическими свойствами CoFe₂O₄ интересен для исследования и что дало экспериментальное изучение шпинели:

«Несмотря на то, что кобальтовый феррит хорошо известен, до настоящего времени исследования поглощения света и эффекта Фарадея в нем проводились в основном в видимой области 1 – 5 eV, а инфракрасная область оставалась малоизученной.

Между тем для прикладного использования CoFe₂O₄ в магнитооптических устройствах необходимы подробные данные о магнитооптической добротности этой шпинели. При подготовке эксперимента анализ литературных источников показал отсутствие подробных исследований МО свойств феррита в ИК-области спектра и результатов сравнения МО эффектов в поляризованном и неполяризованном свете, полученных на одних и тех же образцах».

В результате исследований ученые Института предложили физические механизмы, ответственные за формирование эффекта Фарадея в ферримагнитной шпинели CoFe₂O₄ в ИК-диапазоне спектра.

 В чем оригинальность вашего подхода к выявлению физических механизмов?

«Самое главное, что в нашей в работе приводятся новые экспериментальные данные по спектрам магнитопропускания и магнитоотражения естественного света в ИК-диапазоне спектра в феррит-шпинелях, обладающих магнитострикцией, при сравнении полученных результатов с аналогичными данными для шпинелей, не обладающих магнитострикцией.

Обнаружение нового механизма магнитопропускания (магнитопоглощения) неполяризованного света в феррит-шпинели, связанного с деформацией решетки в результате магнитострикции кристалла, является уникальным результатом и не имеет пока аналогов в мировой литературе,

– заявляет Андрей Телегин и отмечает достижения коллег-сотрудников лаборатории магнитных полупроводников Института физики металлов –

 Необходимо особо подчеркнуть, что до сих пор вклад эффект Фарадея в магнитопоглощение естественного света в ИК-диапазоне для феррит-шпинелей с большой величиной магнитострикции, в таких материалах никто не наблюдал, и нам удалось восполнить этот пробел!».

Итак, специалисты оценили спектральные, температурные и другие  зависимости эффекта Фарадея  в инфракрасном диапазоне спектра и  рекомендуют  феррит-шпинель CoFe₂O₄ в качестве функционального материала для различных МО устройств ИК-диапазона.

«В последние годы очень активно развивается стрейнтроника, о чем свидетельствует, например, огромное количество публикаций в WoS и появление  специальных выпусков и обзоров по стрейнтронике.  В подобного рода работах в основном анализируются деформационно-индуцированные изменения электрических и магнитных свойства структур, тогда как магнитооптические эффекты, особенно в ИК-области спектра, остаются неизученными. Поэтому любая поддержка предложенного нами направления исследований представляется необходимым для закрепления, в первую очередь, приоритета российских ученых на мировом уровне», – обращает внимание заведующий лабораторией магнитных полупроводников Андрей Телегин.

Уральские специалисты планируют представить в начале 2020 года большую обзорную статью на основе работы, проведенной на монокристаллах.  Следующим этапом предполагается расширить объекты исследования на пленки и гибридные пленочные структуры, комбинирующие магнитоупругие, сегнетоэлектрические и магнитооптические свойства CoFe₂O₄ и других оксидов.

Тем самым, по словам Телегина, «подтвердить концепцию разработки новых функциональных оптических материалов для электронно-оптических устройств, работающих на иных физических принципах, чем, например, разрабатываемые сегодня перспективные образцы магнитооптической памяти и модуляторов света».

Данная уникальная работа екатеринбургских ученых по деформационной магнитооптике ожидает поддержки со стороны отечественных фондов РФФИ или РНФ, а пока продолжается по инициативе авторов.  Тем не менее, заведующий лабораторией магнитных полупроводников Института физики металлов имени М.Н. Михеева Андрей Телегин заверил, что это исследование «представляется необходимым с целью развития прикладного использования различных деформационно-чувствительных структур на основе магнетиков с большими значениями магнитоупругих свойств, а также для закрепления приоритета российских ученых в области стрейн-магнитооптики полупроводниковых структур».