Лаборатория функциональных материалов для квантовых устройств

Полученные результаты позволят создать сверхпроводниковые спиновые вентили для магнитной памяти сверхпроводниковой и квантовой логики, конвертировать квантовую информацию из СВЧ-диапазона частот в оптический диапазон и обратно и лягут в основу создания квантового компьютера, на основе кубитов из микро и нанодисков ферритов-гранатов.

Научные результаты:

Проект был нацелен на разработку, создание и изучение новых материалов нанофотоники, магнитооптические и оптомагнонные свойства которых значительно отличаются от свойств однородных сред. Благодаря специально созданной наноструктуре значительно усиливается взаимодействие между оптическим излучением, проходящим через материал, и магнитными (спиновыми) моментами материала. Ключевой особенностью данного проекта явилось совмещение физических и технологических исследовательских задач, что позволило получить нанофотонные материалы с уникальными свойствами.

1. Разработаны и синтезированы монокристаллические нанопленки феррита-граната, обладающие большим удельным вращением поляризации за счет эффекта Фарадея и магнитными свойствами (намагниченность насыщения, магнитная анизотропия), требуемыми для решения задач проекта.
2. Полностью диэлектрические магнитные метаповерхности для эффективного управления светом с помощью намагниченности. Разработан, создан и исследован новый вид материалов нанофотоники – полностью диэлектрическая магнитная метаповерхность на базе наноплёнки феррита-граната, покрытой кремниевыми нанодисками. За счет возбуждения различных оптических мод метаповерхности (моды Ми, волноводные моды) существенно возрастает эффективность взаимодействия света с намагниченностью материала в сравнении с однородной магнитной плёнкой. В результате, магнитооптические эффекты значительно усиливаются. Кроме того, благодаря модам Ми, возникает на оптических частотах заметный гиромагнитный отклик материала, который для однородных плёнок чрезвычайно низок. Сочетание гиромагнитного и гироэлектрического откликов делает такую метаповерхность бигиротропной на оптических частотах. Это приводит к новому магнитооптическому эффекту, который не проявляется в однородной плёнке – модуляции в поперечном магнитном поле интенсивности света, проходящего через метаповерхность и поляризованного перпендикулярно плоскости падения.
3. Новый метод детекции коротких спиновых волн с помощью диэлектрических метаповерхностей и плазмонных нанорешёток. Детекция коротких спиновых волн с помощью света ограничена дифракционным пределом Рэлея. Для оптической регистрации спиновых волн, у которых длина волны значительно меньше длины волны света, предложено использовать разработанные диэлектрические метаповерхности (см. п.1), а также плазмонные нанорешетки. Благодаря Ми-резонансам метаповерхности удалось получить пространственно неоднородную чувствительность света к различным нанообластям. В результате вблизи Ми-резонанса свет, проходящий через метаповерхность, оказывается нечувствительным к длинным спиновым волнам и приобретает высокую чувствительность к спиновым волнам, у которых длина волны совпадает с периодом метаповерхности.
4. Пространственно селективное возбуждение спиновой динамики в магнитном фотонном кристалле с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Как правило, спиновые волны возбуждают в магнетике одновременно по всей его толщине, поскольку возбуждающий СВЧ сигнал или лазерный луч распределены по толщине почти однородно. Впервые удалось оптически возбудить спиновые волны с селективностью по толщине структуры на уровне сотен нанометров. Для этого была разработана и создана магнитная многослойная структура – магнитофотонный кристалл, в которой спиновый угловой момент фемтосекундного импульса распределен сильно неоднородно, что и позволило возбудить спиновые волны в разных слоях структуры с сильно отличающейся эффективностью. Перестраивая длину волны лазера накачки, удалось изменить отношение амплитуд спиновых волн в разных частях фотонного кристалла в 20 раз.
5. Продемонстрирован новый метод детекции коротких спиновых волн с помощью диэлектрических метаповерхностей и плазмонных нанорешёток. Детекция коротких спиновых волн с помощью света ограничена дифракционным пределом Рэлея. Для оптической регистрации спиновых волн, у которых длина волны значительно меньше длины волны света, предложено использовать разработанные диэлектрические метаповерхности, а также плазмонные нанорешетки. Благодаря Ми-резонансам метаповерхности удалось получить пространственно неоднородную чувствительность света к различным нанообластям магнетика. В результате вблизи Ми-резонанса свет, проходящий через метаповерхность, оказывается нечувствительным к длинным спиновым волнам и приобретает высокую чувствительность к спиновым волнам, у которых длина волны совпадает с периодом метаповерхности.
6. Открыт новый магнитооптический эффект: топологического эффекта Фарадея. Экспериментально продемонстрирован новый эффект, обусловленный оптическим спин-орбитальным взаимодействием, т.е. взаимодействием между спиновым и орбитальным моментами светового пучка. Такое взаимодействие возникает при распространении светового пучка, обладающего топологическим зарядом, через прозрачную магнитную среду вдоль её намагниченности. В результате возникает топологический эффект Фарадея: поворот плоскости поляризации света, вызванный топологическим зарядом светового пучка. В результате полный магнитооптический поворот плоскости поляризации света для плоской волны и для орбитального светового пучка отличаются. Топологический эффект Фарадея линейно зависит от орбитального момента пучка, однако не зависит от его направления. Открытый эффект важен для регистрации статических и динамических распределений намагниченности.
7. Оптическое возбуждение и выявление новых свойств сверхбыстрой спиновой динамики в неколлинеарной магнитной фазе. Ферримагнетики, содержащие несколько частично компенсированных магнитных подрешеток, являются перспективными материалами для сверхбыстрой полностью оптической записи и обработки информации. Ферримагнетики могут находиться в двух магнитных фазах: коллинеарной и неколлинеарной. Впервые изучена спиновая динамика, возбуждаемая в ферримагнетике, находящимся в неколлинеарной фазе, с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. При это обнаружено несколько необычных свойств спиновой динамики. В частности, неколлинеарность ферримагнетика делает обменную моду чувствительной к внешнему магнитному полю и приближает ее частоту к частоте ферромагнитной моды. Кроме того, обнаружено, что при фазовом переходе между коллинеарной и неколлинеарной фазами ферромагнитная мода становится мягкой, а ее амплитуда значительно увеличивается, достигая 7°. Это открывает новые возможности для сверхбыстрого управления прецессией намагниченности в ферримагнетиках для нетепловой оптической записи и обработки информации.
8. Новый метод усиления и управления диаграммой направленности спиновых волн при их возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами. Возбуждение спиновых волн на требуемой частоте и с необходимой диаграммой направленности с помощью коротких световых импульсов является одной из важнейших задач оптомагноники. Предложен новый метод управления диаграммой направленности спиновых волн в тонких магнитных пленках, который основан на возбуждении волн с помощью периодической последовательности лазерных импульсов с частотой следования 1 ГГц и 10 ГГц. Такое периодическое воздействие выделяет из широкого спектра спиновых волн частоту вблизи частоты следования лазерных импульсов. Для спиновых волн на данной частоте возникает спинволновой резонанс, в результате которого амплитуда спиновых волн увеличивается на более, чем на порядок величины, а их диаграмма направленности сужается в несколько раз. Меняя внешнее магнитное поле, можно управлять длиной спиновых волн, а также менять диаграмму направленности. Предложенная методика крайне перспективная для создания магнонных устройств современной магнитной микроэлектроники.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Создана лаборатория «Лаборатория функциональных материалов для квантовых устройств». Лаборатория продолжает функционировать. Заведующий лабораторией Попов В.В. Научный руководитель Белотелов В.И.

Образование и переподготовка кадров:

За время проведения исследования было защищено 4 диссертации на соискание ученой степени доктора наук:

1. Михайлова Т.В. «Структурно-морфологические особенности, оптические и магнитооптические эффекты в нанофотонных элементах и структурах»;
2. Чернов А.И. «Управление оптическими и магнитными свойствами одномерных углеродных наноматериалов»;
3. Яворский М.А. «Оптические вихри в скрученных и акусто-оптических волоконных решетках»;
4. Игнатьева Д.О. «Магнитофотонные наноструктуры с оптическими резонансами поверхностных и волноводных мод».

За время проведения исследования было защищено 6 диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук:

1. Семук Е.Ю. «Ферромагнитный резонанс в пленках висмут-замещенных ферритов - гранатов»;
2. Викулин Д.В. «Оптические вихри в циркулярных оптических волокнах с изгибными регулярными и вихревыми акустическими модами»;
3. Томилина О.А. «Влияние прямого и обратного перкаляционного перехода на свойства металлических сверхтонких плёнок»;
4. Сылгачева Д.А. «Многослойные магнитные наноструктуры для селективного по толщине управления волноводными модами и сверхбыстрого оптического возбуждения спиновой динамики»;
5. Кожаев М.А. «Генерация спиновых волн сверхкороткими лазерными импульсами в диэлектрических магнитных материалах»;
6. Гусев Николай Александрович «Микро- и наноструктуры на основе эпитаксиальных пленок феррита-граната для магнитной сенсорики».

Разработаны и реализованы 2 программы повышения квалификации

1. «Оптическая запись информации на ферримагнетике» - 10 человек;
2. «Магнитофотоника и магнитоплазмоника» - 11 человек.

Сотрудничество:

• МГУ им. М.В. Ломоносова,
• Российский квантовый центр,
• Институт физики микроструктур РАН,
• МФТИ