Научные результаты:
- Проведены экспериментальные исследования магнито-оптических взаимодействий в конфигурации «формирование импульсов» в редкоземельных гранатах и ортоферритах. Использовались экспериментальные схемы с усилителем и без усилителя. С помощью терагерцовой атомно-эмиссионной спектроскопии исследована роль ионов Dy3+ в антиферромагнетике DyFeO3 в условиях фемтосекундного оптического управления магнетизмом. Проанализирован спектр эмиссии, его поляризация и температурные зависимости. Утверждается, что резонансная оптическая накачка Dy3+ запускает динамику намагниченности этих ионов. Обнаружено, что благодаря d-f обменному взаимодействию между спинами Fe3+ и Dy3+ оптически индуцированная намагниченность Dy3+ может импульсно возбуждать Fe3+ спиновые волны.
- Продемонстрировано существование новой границы между терагерцовым полем и спином в антиферомагнетике, что является электро-дипольным переходом, связанным с магнитной степенью свободы электронов. Вследствие этого было реализовано первое нелинейное возбуждение спиновых волн при помощи терагерцовых импульсов. Спектральная чувствительность и высокая эффективность этого возбуждения в сравнении с Зеемановским открывает беспрецедентный путь к дальнейшему увеличению амплитуды спиновых волн, производимых терагерцовыми импульсами. Для достижения увеличения амплитуды необходимо формирование импульса и контроль когерентности. Для всего разнообразия редкоземельных металлов, было предсказано пороговое значение для магнитного переключения, индуцированного терагерцовым полем, которое можно уменьшить на порядок.
- Апробирована новая концепция управляемого магнитного возбуждения электрическим полем, которая использует скрытые состояния вещества, включающие спиновые степени свободы. Также есть возможность исследовать роль других низкоэнергетических элементарных возбуждений, таких как экситоны или фононы, которые могут изменить орбитальные волновые функции близлежащих атомов и привести к механизму формирования магнонов. Новые принципы нарушения симметрии как подготовки низкоэнергетических нетепловых состояний открывают новые приложения для будущих устройств спинтроники.
- Методом магнито-оптической спектроскопии с высоким временным разрешением проведены экспериментальные исследования лазерно-индуцированной динамики намагниченности в магнито-мягких железосодержащих пленках и в тонких пленках магнитных шпинелей. Сверхбыстрая динамика магнитных шпинелей была исследована при помощи зондирования терагерцовым излучением. Использовалось широкополосное излучение в диапазоне 0.2ТГц до 2.2ТГц в геометрии Фогта. Предложена модель проекции электрического поля ТГц импульса на плоскость образца и исследованы параметры вращения поляризации и эллиптичности в зависимости от приложенного электрического поля для различных температур. На основании полученных результатов предложено обоснование осуществимости переключения намагниченности в таких средах.
- Разработаны методики и проведены экспериментальные исследования сверхбыстрой динамики электронов и спинов в мультиферроидных гексагональных манганитах методом оптического «возбуждения-зондирования», проведено сравнение результатов экспериментов с уже имеющимися данными, исследована возможность использования исследованных образцов для переключения поляризации сверхкоротким оптическим импульсом.
- Проведены экспериментальные исследования сверхбыстрых процессов, возбужденных фемтосекундным лазерным импульсом, в кристалле сегнетоэлектрика-полупроводника Sn2P2S6.
- Показана возможность возбуждения мягкой моды в кристалле и изменения ее параметров, индуцированного лазерным излучением. Продемонстрирована возможность возбуждения в монокристалле Sn2P2S6 двух фононных мод: моды с частотой 20.5 ГГц, соответствующей акустическому фонону, и моды с частотой 0.89 ТГц, параметры которой соответствуют параметрам мягкой моды в данном сегнетоэлектрике. Аналогично мягкой моде наблюдаемые высокочастотные осцилляции характеризуются быстрым затуханием.
- Показано, что после возбуждения высокочастотных осцилляций их частота заметно меняется, «размягчаясь» на временах порядка 10 пс. Такое поведение может свидетельствовать о фазовом переходе в сегнетоэлектрике, который инициируется фемтосекундным лазерным импульсом и развивается на пикосекундных временах.
- Проведено исследование структуры и базовых физических свойств новых материалов, потенциально обладающих сверхбыстрым откликом на воздействие фемтосекундными лазерными импульсами, а также исследование динамического отклика этих сред, возбужденного лазерным излучением. Исследовано влияние концентрации катионов Ba на поляризационные свойства сегнетоэлектрического слоя, включенного в двухслойную структуру.
- Созданы двухслойные наноструктуры, состоящие из сегнетоэлектрика Ba(х)Sr(1-x)TiO3(BST) слой и ферромагнитный La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) слой с различными концентрациями Ва. Эпитаксиальные гетероструктуры BST/LSMO были изготовлены с использованием метало-органического метода осаждения аэрозолей (MAD) на монокристаллические SrTiO3 подложки (001). Структурные параметры BST/LSMO были определены с помощью рентгеновской дифракции. Сегнетоэлектрическая поляризация, измеренная с помощью метода генерации второй гармоники (ГВГ), проявила сильную зависимость от концентрации Ba.
- Проведены экспериментальные исследования электро-оптического взаимодействия в конфигурации оптического «возбуждения-зондирования» (pump-probe) на фемтосекундной системе без усилителя в пленках и структурах на основе SrTiO3 и BiFeO3. В пленках титаната стронция выявлена зависимость интенсивности второй гармоники от электрического поля терагерцового импульса. Проведены экспериментальные исследования сверхбыстрой лазерно-индуцированной динамики в мультиферроиках II-го типа.
- Сформулированы физические принципы функционирования сверхбыстрых (ТГц) устройств на основе исследованных материалов и эффектов. Магнито-оптический эффект Фарадея играет важную роль в понимании электромагнитной природы света. Предложен концептуально новый подход к сверхскоростной перестраиваемой модуляции с помощью встречно-распространяющихся лазерных импульсов. На примере парамагнитного галлата-граната тербия (Tb3Ga5O12) показана возможность перестройки магнитооптической модуляции с частотой до 1.1. ТГц, при приложении внешнего магнитного поля.
- Проведено исследование возможности возбуждения высокоамплитудной динамики решетки оптическими импульсами и ее влияния на диэлектрическую поляризацию в сегнетоэлектриках. Исследованы спектральные зависимости генерации второй оптической гармоники, а также люминесценции при двухфотонном возбуждении для кристалла сегнетоэлектрика-полупроводника Sn2P2S6. Установлено, что при увеличении длины волны возбуждающего излучения от 750 до 950 нм интенсивность ГВГ, связанная с поляризацией сегнетоэлектрика, резко возрастает, увеличиваясь примерно на два порядка, а интенсивность пика люминесценции максимальна при длине волны накачки в области 880 нм. Характерное время рекомбинации электронов из зоны проводимости в валентную зону составляет 620 пс. Показано, что воздействие света не приводит к сверхбыстрому нагреву или изменению точки Кюри, а наиболее вероятной причиной наблюдаемых изменений фотоиндуцированной динамики интенсивности ГВГ является экранировка фотоиндуцированными носителями заряда той части электрической поляризации, которая зондируется второй оптической гармоникой.
- Проведены экспериментальные исследования осуществимости возбуждения мягких мод и переполяризации в сегнетоэлектриках с помощью ТГц импульсов (в одиночном или каскадном режиме). Экспериментально изучены процессы сверхбыстрого переключения диэлектрической поляризации сильным электрическим полем однопериодного ТГц-импульса в тонкой пленке титаната бария-стронция. Рассмотрение источников ГВГ в сегнетоэлектрике приводит к выводу, что временная зависимость интенсивности ГВГ означает изменение поляризации в области действия ТГц-импульса, но не означает переноса ионов между минимумами потенциальной ямы, т. е. истинным сегнетоэлектрическим переключением. Тем не менее наблюдаемый эффект может быть использован в дистанционно управляемых оптоэлектронных устройствах, в частности в сверхбыстрых ТГц-модуляторах.
- Проведены исследования экситонной/трионной энергетической структуры двумерных слоев дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) при низких температурах методом оптической спектроскопии (включая ГВГ). Исследованы пленки ДПМ (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2), а также твердые растворы на их основе. Дополнительно по данному направлению на отчетном этапе проведены исследования распределения электростатического поля и потенциала, а также локальных пьезоэлектрических свойств в самоорганизованных микротрубках дифенилаланина (FF PMT) в составе композитных структур оксид графена / металллические наночастицы / FF PMT. Результаты исследований позволят предложить модели и выявить механизмы донорно-акцепторных взаимодействий в подобных композитных системах. Эти результаты могут быть использованы также для исследований в области разработки энергосберегающих.
- Проведены исследования динамики магнитного параметра порядка в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках. Показано, что в NdFeCo присутствует еще более быстрая динамика намагниченности, чем та, которую удается детектировать с помощью магнитооптического эффекта Керра. Эта динамика остается незаметной, если не использовать методов, чувствительных к суммарной намагниченности (как, например, метод ТГц эмиссии), или методов, чувствительных к абсолютно всем компонентам намагниченности.
- Экспериментально исследованы происходящие на различных масштабах пространственные и температурные процессы при спирально-зависимом полностью оптическом переключении в ферромагнитных мультислойных структурах Co/Pt. Показано, что магнитное переключение является по своей природе импульсным. Показано также, что многоимпульсное переключение в ферромагнитных тонких пленках происходит посредством случайного образования зародышей обращенных доменов, после чего следует спирально-зависимый детерминированный рост за счет движения доменных стенок. Определены режим и частота повторения импульсов (100 Гц), при которых накопление тепла влияет на рост обратных магнитных доменов.
- Проведен сравнительный анализ прямого и опосредованного (через фононы) возбуждения. Продемонстрирована возможность селективного сверхбыстрого возбуждения магнитных дипольных и электрических диполь-активных мод редкоземельных ионов в кристаллах ErFeO3 при помощи внутриимпульсного рамановского рассеяния света. Показано, что в случае, когда оптическая диэлектрическая функция обусловлена не только электрическими дипольными переходами (главным образом в подрешетках железа), но и магнитными дипольными переходами (в основном в редкоземельных подрешетках), магнитные дипольно-активные моды ТГц отвечают электрическим дипольным виртуальным оптическим переходам, тогда как электрические диполь-активные моды ТГц в основном реагируют на магнитные дипольные виртуальные оптические переходы. Полученные экспериментальные результаты требуют разработки теоретических моделей за пределами обычного электро-дипольного приближения.
- Проведены экспериментальные исследования, направленные на изучение динамики электронов, решетки и спинов в ряде модельных ферроиков и связанной с ними динамики параметров порядка, индуцируемой однопериодными терагерцовыми импульсами с напряженностью электрического поля до 80 МВ/см и напряженностью магнитного поля до 27 Т.
- Проведены экспериментальные исследования возбуждения мягкой моды и поиск экспериментальных условий для переключения поляризации в перовскитах суб-периодным ТГц-импульсом (в одиночном и каскадном режиме) с регистрацией сигнала на частоте оптической ВГ. В твердых растворах цирконата-титаната свинца со стехиометрическим составом Pb0.53Zr0.47TiO3 наблюдаются сильные полярные моды в диапазоне частот 50–80 см-1 при комнатной температуре, которые могут быть резонансно возбуждены однопериодическим ТГц-импульсом. Показано, что поведение нелинейно-оптического отклика характерно для случая, когда наведенные изменения ТГц-импульсом сопоставимы или меньше, чем собственное значение сигнала второй оптической гармоники в невозбужденном состоянии.
Внедрение результатов исследования:
Результаты проекта потенциально могут быть использованы при разработке и создании высокоэффективных ТГц-антенн для различных практических применений (медицина, безопасность и т. д.).
Образование и переподготовка кадров:
- Подготовлены и проведены на базе МИРЭА лекционные курсы «Сверхбыстрые процессы в функциональных материалах» (2014–2015 гг.), «Сверхбыстрое управление состоянием упорядоченных сред: от основ к устройствам» (2016 г.) и «Сверхбыстрые процессы в функциональных материалах» (2017 г.) для студентов и аспирантов.
- Читаются курсы «Методы диагностики и анализа микро- и наносистем», «Физика диэлектриков», «Нанотехнологии в электронике», «Фотоника», «Квантовая механика», «Фемтосекундные лазерные системы», «Оптические методы диагностики наноструктур» и др. для магистров, обучающихся по специальности 28.04.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника», и бакалавров, обучающихся по специальности 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника».
- Разработан образовательный курс «Оптические методы диагностики наноструктур», прошел апробацию также на английском языке на базе Университета прикладных наук г. Регенсбург (Германия) в рамках национальной программы «Приглашенные лекторы».
Организационные и инфраструктурные преобразования:
Приобретено измерительное и исследовательское оборудование ведущих мировых производителей – Spectra Physics, Newport, Stanford Research, Hamamatsu и других. Основу лазерного парка лаборатории составляет фемтосекундное лазерное оборудование, изготовленное ООО «Авеста-Проект» (Россия), которое осуществляет техническое обслуживание и, при необходимости, срочный ремонт оборудования. Все экспериментальные исследования производятся в автоматическом режиме при помощи программного обеспечения, разработанного исполнителями проекта. Для выполнения отдельных задач проекта принимающей организацией предоставлен на безвозмездной основе доступ к оборудованию и методикам Центра коллективного пользования УНО «Электроника» МИРЭА.
Другие результаты:
- Проводились заседания семинара-передвижника «Динамика ферроиков» с участием представителей высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов РАН на площадках МИРЭА, Института физических проблем РАН, Института высоких температур РАН, физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.
- В рамках Международной конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC-2014, 2015, 2016, 2017) были организованы и проведены подсекции с представлением докладов по направлениям научной деятельности лаборатории.
Сотрудничество:
- Институт молекул и материалов Университета св. Радбауда (Нидерланды), Объединенный институт высоких температур РАН (Россия): совместные исследования
- Институт электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (Франция), Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) (Россия): совместные проекты РФФИ
