Исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН в сотрудничестве с зарубежными коллегами впервые показали, что с помощью сверхкоротких лазерных импульсов можно генерировать гигагерцовый спиновый ток. Новый метод позволит создавать высокочастотные наноразмерные спинтронные устройства. Статья о результатах эксперимента опубликована в журнале Physical Review B. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (РНФ).

Спинтроника — относительно молодое направление физики твердого тела, оно сформировалось в 80-е годы XX века. Исследования в этой области направлены на создание устройств, основанных на спиновом токе, то есть на переносе спина, а не заряда. Каждый электрон, помимо заряда, обладает собственным магнитным моментом — спином. Спин электрона имеет несколько возможных состояний, которые часто описываются как его направление, например, вверх и вниз. Ансамбль спин-поляризованных, то есть имеющих спины одинакового направления, электронов составляет намагниченность материала. С использованием спинов электронов в ферромагнитных материалах, обладающих постоянной намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля, сегодня кодируется и хранится информация в широко распространенных устройствах магнитной записи. Возможность переноса информации, кодированной в спиновой поляризации, позволит создать принципиально новый вид логических микросхем, в которых будут минимизированы тепловые потери. Их функциональность будет значительно шире, так как у спина существует больше возможных состояний, чем у заряда электрона.

Один из методов генерации чисто спинового тока — спиновая накачка. За счет круговых колебаний ансамбля спинов (прецессии намагниченности), происходящих в ферромагнетике, в сопряженном с ним немагнитном металле создается спиновый ток на частоте прецессии. Традиционно для возбуждения прецессии используют микроволновое излучение. Коллектив физиков из России, Германии, Украины и Великобритании впервые показал, что вместо микроволн можно применять сверхкороткие лазерные импульсы. Это позволяет точнее регулировать параметры прецессии, поскольку лазерные импульсы влияют на намагниченность через разные механизмы, а лазерный луч можно сфокусировать даже в пятно нанометрового масштаба, используя специальные наноплазмонные антенны.

В эксперименте физики использовали так называемый спиновый затвор — структуру из двух нанометровых слоев ферромагнетика (сплава железа и галлия), разделенных прослойкой немагнитной меди. Для запуска прецессии и ее обнаружения использовался метод накачки-зондирования (pump-probe). Один мощный лазерный импульс от фемтосекундного твердотельного лазера запускал прецессию намагниченности в ферромагнитных слоях. Второй импульс, менее мощный, попадал на образец позже первого. Исследователи измеряли поляризацию второго импульса при отражении от образца, чтобы определить, как ориентированы ансамбли спинов в двух слоях. Эксперимент повторялся с разным временем задержки второго импульса, и в результате ученые получили траекторию прецессии намагниченностей ферромагнитных слоев.

Детектирующая часть установки. Александра Калашникова

В результате исследователи доказали, что одновременный запуск в обоих ферромагнитных слоях прецессии намагниченности приводит к возникновению противоположно направленных спиновых токов в слое меди. Это значит, что могут быть разработаны миниатюрные (даже наноразмерные) генераторы спинового тока, запускаемые лазерными импульсами, более функциональные, чем микроволновые. Кроме того, исследователи обнаружили результат, интересный с точки зрения фундаментальной физики: между колеблющимися намагниченностями двух ферромагнитных слоев образовалась динамическая диссипативная связь. Это такой тип связи, при котором взаимодействие двух колеблющихся объектов влияет на время затухания колебаний. Исследователи изменяли силу связи между слоями, регулируя разницу в частоте прецессии их намагниченностей. В условиях резонанса, когда частоты совпадали, две прецессирующие намагниченности образовывали связанное состояние со сложным двухэтапным затуханием. Наблюдать такое проявление диссипативной связи между двумя прецессирующими намагниченностями ранее не удавалось. Обычно в опытах по спиновой накачке используются микроволны, которые запускают вынужденную прецессию намагниченностей на фиксированной частоте. Воздействие микроволн на слои ферромагнетика можно сравнить с постоянным раскачиванием на одной частоте двух связанных маятников. Короткие лазерные импульсы позволяют толкнуть маятники коротким «щелчком», то есть запустить свободную прецессию одновременно в двух слоях, и затем следить за их взаимодействием, когда на них уже не действует вынуждающая сила. Именно благодаря этому удалось пронаблюдать сложное поведение связанных прецессий намагниченностей.

Авторы работы от ФТИ имени А.Ф. Иоффе: Алексей Щербаков, Александра Калашникова и Леонид Шелухин. Александра Калашникова

«Новый способ управления спиновыми токами будет полезен для создания оптически управляемых высокочастотных спиновых наногенераторов и других спинтронных устройств, в которых важны нанометровый масштаб и высокая энергоэффективность. Такие устройства могут найти широкое применение в самых разных областях — от нейроморфных сетей до магнитной томографии со сверхвысоким разрешением, — поясняет соавтор работы Алексей Щербаков из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН. — Результаты исследования представляют и фундаментальный интерес. Несмотря на то, что структуры типа «спиновый затвор» подробно изучены, именно предложенный нами метод оптической генерации спинового тока позволил выявить специфику взаимодействия намагниченностей — диссипативную связь. Физические системы, в которых такой тип связи может быть реализован и исследован экспериментально, крайне малочисленны. Между тем диссипативная сильная связь относится к квантовым эффектам, а наблюдение аналогов подобных процессов в объектах классической физики сейчас вызывает значительный интерес. Мы показали, что «спиновый затвор», хорошо изученное и сравнительно простое устройство, может быть модельным объектом для таких исследований».