Ypač greitas feromagnetizmo derinimas per nešiklio tankį | gamtos komunikacijos

Ypač greitas feromagnetizmo derinimas per nešiklio tankį | gamtos komunikacijos

Anonim

Dalykai

  • Feromagnetizmas
  • Magnetinės savybės ir medžiagos

Anotacija

Susidomėjimas manipuliavimu magnetine tvarka ultratrumpais lazerio impulsais klestėjo, nes buvo pastebėta, kad tokie impulsai gali būti naudojami norint pakeisti įmagnetinimą per mažą pikosekundę. Paprastai tai susiję su demagnetizavimu kaitinant lazeriu arba retais atvejais - dėl laikino magnetizacijos padidėjimo. Čia mes pademonstruojame mechanizmą, kuris leidžia sustiprinti arba susilpninti medžiagos magnetinę tvarką. Tai įmanoma sistemose, turinčiose mažą suderinamą laidumo juostos nešiklių tankį ir didelį magnetinių momentų tankį. Tokiose sistemose terminizacijos laikas gali būti nustatytas taip, kad adiabatiniai procesai vyrautų fotoindukuotame magnetinės tvarkos pokytyje - apeinamas trijų temperatūrų modelis sąveikaujantiems termiškai veikiantiems elektronų, sukinio ir grotelių rezervuarams. Feromagnetiniame Eu 1 − Gd x O modelyje optiškai kontroliuodami magnetinio mainų sąveiką parodome magnetinės tvarkos stiprėjimą ir susilpnėjimą ~ 10% ir ≤ 3 ps ribose.

Įvadas

Didėjant magnetinės informacijos kaupimo tankumui ir greičiui, reikėjo intensyviai ieškoti būdų, kaip valdyti magnetinį momentą kitomis priemonėmis nei magnetiniai laukai. Po novatoriško šviesos impulsų įmagnetinimo pokyčio demonstravimo 1 -osios dalies laiko skalėje, ultragarsinių lazerio impulsų valdymas ir magnetinės tvarkos valdymas tapo įdomia tyrimų tema 2, 3, 4, 5, 6 . Didžioji laiko dalis tyrimų yra sutelkta į greitojo 1, 7, 8, 9 demagnetizavimo procesą . Tai reiškia, kad reikia numalšinti magnetinę tvarką ir dažnai apibūdinamas trijų temperatūrų modeliu (3TM), kai manoma, kad sujungtų elektronų, sukinio ir grotelių posistemiai yra pusiausvyroje atitinkamose jų 1, 7 temperatūrose. Tačiau išimtiniais atvejais fotoeksitacija sukelia šiluminę generaciją ir (arba) padidinančią magnetinę tvarką. Patobulinimas yra įmanomas, jei fotoekstraktai efektyviau sujungia gretimas magnetines vietas. Pavyzdžiui, ypač greitas feromagnetinių elementų generavimas kolosaliuose magnetoresisciniuose manganituose pagrįstas fotoaktyvuota „dvigubo apsikeitimo“ sąveika tarp Mn 3+ ir Mn 4+ jonų 10 . Pereinamąjį feromagnetizmo sustiprėjimą praskiestame magnetiniame puslaidininkyje skatina fotoaktyviosios mobiliosios nešėjos, jungiančios magnetinius jonus (' p - d mainai') 11 . Šie pastebėjimai kelia klausimą, ar galima nustatyti kriterijus, leidžiančius patobulinti ar susilpninti sistemos magnetinę tvarką savo noru.

Šiame straipsnyje mes parodome, kad ypač greitas nešiklio tankio kontroliuojamas feromagnetinės eilės stiprinimas ar numalšinimas Eu 1 – Gd x O gali būti pasiektas rezonansiniu fotoeksuacijos būdu. Magnetinės eilės pokytis nustatomas per 3 ps ir optiškai nustatomas per magnetizacijos sukeltą antrąją harmonikų generaciją (MSHG). Tokia sukimosi dinamika negali būti paaiškinta 3 TM. Mūsų teorinė analizė greičiau parodo, kad sukimosi dinamika atsiranda dėl fotoinduotos ne pusiausvyros nešiklio pasiskirstymo. Skirtingai nuo sistemų, turinčių didelę nešiklio koncentraciją, pavyzdžiui, pereinamųjų metalų, retųjų žemių ar tam tikrų praskiestų magnetinių puslaidininkių feromagnetų, sub-ps nešiklio dinamika mažo skiedinio Eu 1− x Gd x O yra toli nuo pusiausvyros dėl a. žymiai ilgesnis elektronų šiluminimo laikas. Susijusi nugaros dinamika paaiškinama chemiškai ir optiškai sukurtų nešiklių sąveika ir dėl to atsirandančia RKKY tipo magnetinio mainų jungties dinamine renormalizacija. Perėjimą nuo ypač greito sustiprinimo iki feromagnetizmo numalšinimo žymi kryžminimasis iš vyraujančio puslaidininkio į metalinį dopingo diapazoną Eu 1 – x Gd x O. Be bendrojo įžvalgos apie ultra greito sukimosi ir įkrovos dinamiką, tai yra pagrindinis reikalavimas. „Spintronics“ technologijos atveju mūsų tyrime pateikiama pagrindinė informacija, kaip atrinkti ir projektuoti medžiagas, skirtas ultra greitam optiniam magnetinės tvarkos valdymui.

Rezultatai

Magnetinė sąveika su nešiojamuoju EuO

Gd-skiedinys EuO buvo pasirinktas kaip kandidatas dėl daugybės su magnetizmu susijusių ypatybių (visiška sukinio poliarizacija, tuo pat metu vykstantis feromagnetinio ir izoliatoriaus-metalo perėjimas, kolosalus magnetinis atsparumas, milžiniškas magneto-optinis poveikis ir kt. ), 15, 16, 17, 18, 19 ). Nepatvirtintas EuO yra Heisenbergo feromagnetų prototipas. Magnetinis 7 μB momentas atsiranda dėl stipriai lokalizuoto, pusiau užpildyto 4 f apvalkalo Eu 2+ jonų ant kubinės akmens druskos struktūros. Tačiau dėl stiprios 4 f orbitos lokalizacijos tiesioginė 4 f – 4 f mainų jungtis su artimiausiais „Eu 2+“ kaimynais yra per silpna, kad būtų galima paaiškinti aukštą Curio temperatūrą T C = 69 K. Vietoj to, feromagnetinė tvarka yra varomas virtualių mainų mechanizmo 20 . Virtualiuosius magnetinius eksitonus sukuria lokalizuoti 4 f elektronai, svyruojantys į tuščią Eu 5 d būseną, kad magnetinio mainų jungtis J ex galėtų būti perduodama per erdviškai išplėstines 5 d orbitas.

Eu 1 – x Gd x O, J ex ir T C dar labiau padidėja, iš tikrųjų 5d orbitalės užpildomos papildomais elektronais, įvestais pakeičiant Eu2 + kitu magnetiškai lygiaverčiu Gd 3+, kaip parodyta 1a pav. 21, 22 . Atkreipkite dėmesį, kad šie skilimo elektronai nesudaro eksitonų, o užima Gd 5 d priemaišų orbitalės, kurios metalinėje fazėje žemiau T C susilieja su Eu 5 d 6 s laidumo juosta 23 ir sukuria tolimojo RKKY indėlį į J ex. . Šis mechanizmas sukelia jaudinančią galimybę, kad ypač greitas J ex sustiprinimas gali būti skatinamas rezonansiniu optiniu elektronų siurbimu iš pagrindinės būsenos Eu 4 f 7 į magnetinės eksitono būseną 4 f 6 5 dt 2 g (1b pav.), Nes tai virsta virtualų magnetinį eksitoną paversti realiu, skatinant magnetinę tvarką. Tokiu būdu sudėtinga, fotoindukuota krūvio dinamika sukuria efektyvią nuo laiko priklausomą magnetinę jungtį tarp „Eu 4 f“ momentų.

Image

a ) Statinio MSHG intensyvumo T C (nuoroda 22, kieti trikampiai) ir kvadratinės šaknies priklausomybė

Image
(Atviri kvadratai su pilka linija kaip vadovas akimi) ant nešiklio tankio n c esant 4, 2 K (Eu 1 – x Gd x O.). intarpas parodo Gd koncentracijos santykį su n c (nuoroda 22). Visos paklaidų juostos parodo sem ir plėvelės storio neapibrėžtį nustatant n c iš Halės matavimų. b ) Neapdoroto feromagnetinio EuO būsenų, esančių nuo nugaros ir energijos, tankio eskizas šalia juostos juostos 20 . Eu 5 d 6 s laidumo juosta yra padalinta iš 4 f – 5 d mainų sąveikos. Neatvaizduotos būsenos, tokios kaip 4 f mažuma, 5 de g ir deguonis 2 p . MSHG procesas matuoja magnetinę tvarką per dviejų fotonų perėjimą į 5 d 6 s laidumo juostą. c ) temperatūros priklausomybė;
Image
netirpintam ir 2, 65% DD legiruotam EuO.

Visas dydis

Netiesinė optika, tirianti magnetinę eiliškumą Eu 1− x Gd x O

Nustatytas ferosistemos nustatymo metodas yra SHG: šviesos skleidimas 2 frequency dažniu iš krištolo, apšvitinto šviesa dažniu ω . Jautrumas χ (2), parametrizuojantis šį konversijos procesą, yra labai jautrus SHG aktyvaus junginio simetrijai, o kadangi feroinė tvarka keičia simetriją, jos atsiradimą lydės atitinkami simetrijai leidžiami SHG komponentai. Tai buvo plačiai naudojama daugelio oksidų geležies būsenai tirti, ypač ypač greita magnetinės eilės dinamika 24, 25 .

Pirmame etape turime ištirti SHG jautrumo susiejimą su feromagnetine tvarka Eu 1 – x Gd x O. Apskritai, SHG gali susieti su magnetizacija M kaip užsakymo parametrą arba tiesiogiai prie magnetinių mainų sąveikos J ex. . Išplėtimas iki linijinių terminų parametrizuoja tai: χ (2) = χ 00 + χ 10 J ex + χ 01 M + χ 11 J ex M. Sąvokos, jungiančios M (~ χ 01, χ 11 ), yra susijusios su MSHG procesais, vykstančiais tik feromagnetinėje fazėje. Kiti įnašai (~ χ 00, χ 10 ) nesusiję su magnetinės tvarkos parametru, todėl leidžiami esant bet kokiai temperatūrai. Kvadratiniai ir aukštesni terminai galėtų būti įtraukti į plėtrą, tačiau, kaip netrukus pamatysime, jie yra nereikšmingi.

Norėdami išsiaiškinti MSHG susiejimą su magnetine Eu 1 – x Gd x O tvarka, atlikome du eksperimentus su orientuotais kristalais taip, kad kristalografinis fonas SHG nebūtų sujaudintas (žr. Metodai ir papildoma diskusija apie šių SHG eksperimentų technines detales). . Pirmiausia, 1a pav., Mes palyginame Curie temperatūros T C ir MSHG amplitudės priklausomybę

Image

apie su Gd susijusį nešiklio tankį n c . Čia MSHG intensyvumas I MSHG ∝ | χ (2) | 2 buvo išmatuotas esant 10 K, kai visiškai įmirko 7 μB įmagnetinimas, kad neterminiai I MSHG pokyčiai šioje temperatūroje gali būti siejami tik su J ex pokyčiais. Dvi kreivės 1a pav. Rodo tą pačią kokybinę priklausomybę nuo n c, o santykinis vertikaliosios ašies skirtumas niekada neviršija 25%. Kadangi pagal vidutinio lauko teoriją T C yra proporcingas J ex (nuoroda 23), mes nustatome dominuojančią MSHG indėlio jungtį su J ex . Antra, priklausomybė nuo temperatūros

Image
parodyta 1c pav., gerai atkuria savaiminio įmagnetinimo M priklausomybę nuo temperatūros, net per pradinį feromagnetinį perėjimą 22 . Tai apima dvigubo kupolo tipo priklausomybę iš Gd legiruotų mėginių, susijusius su papildomais Eu- arba Gd varomaisiais feromagnetiniais užsakymo procesais 23, papildytais magnetinio poliarono formavimu 26 .

Taigi, šie eksperimentiniai rezultatai atskleidžia aiškų įnašą nuo χ 11, esant bilineariniam MSHG amplitudės susiejimui su J ex ir M, arba išreikšti išmatuotu MSHG intensyvumu,

Image

Nuo šiol apsiribojame šio indėlio svarstymu, nes šis supaprastinimas nepakeičia nė vieno iš toliau pateiktų rezultatų.

Ypatingas SHG stiprumas leidžia mums eksperimentiškai naudoti jo jungtį su geležies būsena, nežinant aiškios jungties mikroskopijos. Dėl šios priežasties SHG zondo signalo mikroskopija paprastai nėra aptariama „geležies SHG“ literatūroje. Kadangi jungtis pagal J ex M anksčiau nebuvo aptarta, toliau pateikiame galimą mikroskopinį jungimo mechanizmą. Sujungimas su M keletą kartų buvo svarstomas literatūroje 24, 27, 28, 29, kad mes sutelktume dėmesį į jungtį prie J ex .

Atsk. 18 parodyta, kad MSHG Eu 1 – x Gd x O yra aprašytas lygtimi

Image

Patekusio šviesos lauko elektrinis dipolis (ED) ir magnetinis dipolis (MD) perėjimas stimuliuoja ED emisiją dvigubu dažniu χ (2), kaip parodyta 1 lygtyje. Kai fotonas absorbuojamas, jo sukimasis S = ± 1 perkeliamas į sistemą. ED perėjimas keičia orbitos kampinį impulsą, o MD perėjimas keičia sistemos magnetinį sukimąsi pagal dipolio parinkimo taisykles. MSHG procese (2) pateiktas tik vienas MD perėjimas, o ES sistemoje yra vietinis sukimas, kurį turi pašalinti ne optinis sužadinimas. Tai įvyksta sujungiant šį vietinį sukimąsi su aplinkiniais ES sukimais ir, tokiu būdu, sukuriant magnoną k ≈0 (dėl impulsų išsaugojimo), taigi, ω ≈0 (feromagnetinis magnonas yra nesukeliamas sužadinimas). Sukimosi – verpimo jungties stipris nustatomas mainų jungties konstanta J ex, kuri įveda enters (2) . Aiški šio proceso išraiška gali būti gauta praplečiant šviesos bangų ir sukimosi bangų sąveikos teoriją. 30. Į sužadinimo procesą reikia įtraukti papildomą MD tipo matricos elementą. 30, kad galėtume iš tiesinės optikos su ED perėjimais pereiti prie MD palaikomo MSHG proceso mūsų eksperimente. Spin-orbitos sumaišymo indikacijos į vidutiniškai sužadintas būsenas ref. 30 atvejus reikia papildyti sukimosi ir sukimosi maišymo įnašais, nes yra MD perėjimas. Šie apsisukimų – apsisukimų mainų terminai apibūdina J ex priklausomybę nuo χ (2) .

Apibendrinant, mes pristatėme MSHG kaip foninį magnetinių daviklių, neturinčių foninės reikšmės, vertės Eu 1− x Gd x O. Pateikėme eksperimentinius ir teorinius įrodymus, pagal kuriuos MSHG atskleidžia įmagnetinimo M ir magnetinių mainų sąveikos dinamiką. stiprumas J ex . Papildomame 1 pav. Ir papildomoje diskusijoje aptariame aspektus, pagrindžiančius MSHG pagrįstumą tiriant Eu 1 – Gd x O magnetizmą siurblio / zondo eksperimente. Mes parodome, kad indėlis į MSHG atsaką, kuris nėra magnetinės kilmės, bet kurį sukelia nešiotojo pusiausvyros pasiskirstymas po optinio sužadinimo 31, 32, yra nereikšmingas. Mes taip pat paaiškiname, kodėl kristalografinis, paviršiaus ir kitas indėlis į MSHG signalą netrukdo mūsų eksperimentui.

Fotoindukuota sukimosi dinamika

2 paveiksle parodytas tipiškas fotoindukuoto MSHG intensyvumo pokyčio laiko raida, normalizuota verte prieš optinį sužadinimą, Δ I MSHG (Δ t ) / I MSHG (0). Duomenys buvo paimti esant 77 K temperatūrai, naudojant EuO, kuriame yra 2, 65% Gd. Po fotoeksitacijos, kai Δ t = 0, stebime nuolatinį MSHG intensyvumo padidėjimą iki + 30% esant 3 ps. Po to nenutrūkstamas sumažėjimas, einantis per nulį esant 40 ps ir –25%, esant 3 ns. Iš tokio elgesio darome išvadą, kad, tiesą sakant, fotoekscitacija išpopuliarina 5 d orbitalę, todėl padidėja efektyvusis 4 f – 5 d mainai J ex ir, suderinus termiškai svyruojančius 4 f sukinius, įmagnetina M.

Image

Kaip tipiškas pavyzdys parodytas MSHG intensyvumo pokyčio, vykstančio 77 K, santykis, kai EuO yra skiedinys su 2, 65% Gd. Siurblio impulsų sužadinimo tankis yra ~ 380 μJ cm −2 . Įdėklai rodo laiku išspręstos MSHG spektroskopijos schemas ir padidintą ultragarsinio MSHG signalo padidėjimo vaizdą. Kietos linijos yra akies vadovai.

Visas dydis

Vidutinės atominės 4 f – 5 d mainų energija, lygi ~ 0, 1 eV (nuoroda 20), atitinka ~ 40 fs laiką, taigi, tikėtina, kad akimirksniu padidės MSHG padidėjimas po fotoeksuacijos, priešingai nei stulbinamai skirtingas ~ 3 ps laikas. . Tačiau mes turime atsižvelgti į tai, kad magnetinio mainų jungtis perduodama per RKKY sąveiką. Laikas τ 0, reikalingas nuosekliai nustatyti jo padidėjimą fotoekstraktiniame regione, gali būti įvertintas nuo to laiko, per kurį elektroninė koreliacija plinta per kristalą. Atitinkamas atstumas yra RKKY bangos ilgis, o sklidimo greitis yra grupinis magnetinio eksitono greitis. Pastaroji yra sumažinta laidumo elektronų grupės greičio atžvilgiu santykiu

Image
5 d 6 s laidumo elektronų efektyviųjų masių (
Image
) ir sunkiųjų 4 f juostos skylių (
Image
), kurie kartu sudaro magnetinį eksitoną. Santykis
Image
buvo laikomas lygiu atvirkštiniam atitinkamų pralaidumų santykiui ir ištrauktas iš literatūros duomenų 23, kad būtų ~ 4 × 10 3 . Be to, maža sužadinimo energija laidumo juostoje Δ E ~ 0, 5 eV ir mažas bangos skaičius, susijęs su šia energija, leidžia manyti, kad laidumo juosta yra parabolinė. Čia Δ E yra skirtumas tarp siurblio fotono energijos ħω p ir 4 f –5 d 6 s tarpo energijos E tarpo . Su
Image
tokiu būdu kaupimo laikas τ 0 yra ~ 8 ps, kuris pagrįstai atitinka išmatuotą vertę ~ 3 ps.

Vėlesnis MSHG intensyvumo sumažėjimas ns laiko intervale susijęs su demagnetizavimu kaitinant nugaros sistemą, perduodant optinę sužadinimo energiją iš elektronų sistemos į grotelę ir sukinius. Stebimas lėtas atsipalaidavimas atitinka empirinio terminio demagnetizavimo laiką 9, išvestą iš magnetokristalinės anizotropijos konstantos EuO 33, o MSHG intensyvumo sumažėjimas atitinka lazerio impulsų kaitinimą, apskaičiuotą pagal absorbcijos koeficientą ir EuO 34 šilumos talpą. .

Nešvariuoju pusiausvyriniu dydžiu kontroliuojama nešiklio tankis

Ryšio tarp magnetinės jungties dinamikos ir nešančiojo tankio n c, eu – 1 Gd x O, tyrimas yra mūsų tyrimo pagrindas. Norint supaprastinti šį tyrimą, atitinkama dinamika buvo išmatuota esant 10 K. Esant tokiai temperatūrai, magnetinis momentas yra visiškai prisotintas 7 μB / Eu2 + jonų. Taigi, remdamiesi (1) lygtimi, neterminiai MSHG intensyvumo pokyčiai yra susieti su J ex pokyčiais. 3 paveiksle parodytas normalizuoto MSHG intensyvumo pokyčio, kurį sukelia optinis siurbimas, evoliucija, kai Gd koncentracijos yra nuo 0 iki 19, 5%. Lazerio intensyvumas pasirenkamas taip, kad Δ n c ~ 1 × 10 19 cm − 3 nešiklius sužadintų lazerio impulsas. Bendras visų mėginių elgesys yra mažėjantis MSHG derlius ns laiko intervale. Kaip minėta aukščiau, tai sukelia magnetinės tvarkos šiluminis destabilizavimas, kurį sukelia nugaros gardelės relaksacija. Priešingai, MSHG atsakas ps laiku labai priklauso nuo Gd koncentracijos. Mažiausiu dopingo vartojimu stebimas ypač greitas MSHG signalo padidėjimas. Tai gražiai patvirtina, kad mūsų magneto-optinio zondo procesas atspindi J ex kitimą, o ne jau prisotintą įmagnetinimą, priešingai nei buvo priskirta ankstesniais laiko atžvilgiu išspręstais magneto-optiniais sukimosi matavimais naudojant nebenaudojamą EuO 35 . Didinant Gd koncentraciją, šio pradinio padidėjimo laipsnis tampa vis ryškesnis ir pasiekia maksimalią arti x = 0, 25%. Magnetinės jungties padidėjimas viršija įspūdingą 10 proc. (Palyginimui atkreipkite dėmesį, kad fotoindukuotas p - d mainų padidinimas praskiestų magnetinių puslaidininkių sistemose yra maždaug 0, 1% (nuoroda 11).) Didesnis Gd dopingas sumažina pradinio padidinimo laipsnį, o esant x > Stebimas ypač greitas MSHG signalo sumažėjimas 5%. 4a paveiksle mes apibendriname siurblio sukeltą MSHG derliaus pokytį kaip n c funkciją esant fiksuotam vėlavimui Δ t = 3 ps. Čia nc buvo išvestas kiekvienai Gd koncentracijai x iš santykio, parodyto 1a paveiksle.

Image

MSHG intensyvumo pokytis esant 10 K esant Eu 1− x Gd x O parodytas kaip laiko uždelsimo ir Gd koncentracijos funkcija. Dėl visų pėdsakų siurblio impulsų sužadinimo tankis yra ~ 130 μJ cm −2, o tai sukuria fotolaidiklio tankį Δ n c ~ 10 19 cm −3 . Įdėklas rodo padidintą MSHG intensyvumo pokyčio greitį x = 0, 64% ir x = 9, 63%.

Visas dydis

Image

( a ) Santykis tarp n c ir fotoindukuoto MSHG intensyvumo pokyčio, kai Δ t = 3 ps ir 10 K, paimtas iš 3 pav. Linija yra vadovas akiai. N c paklaidų juostos parodo sem ir plėvelės storio neapibrėžtį, nustatant n c pagal Hall matavimus. ( b ) Apskaičiuotas J ex pokytis dėl RKKY sąveikos modifikavimo fotoindukuotos ne pusiausvyros 5 d 6 s laidumo juostos populiacijoje. Dėl išsiplėtimo

Image
duomenys a yra tiesiogiai palyginami su teorija b . ( c ) Fotoeksitacijos dinamikos eskizas, esantis už 3TM, esant mažai dulkančiam Eu 1 – x Gd x O. Fotoelektriniai ilgaamžiai nebalansiniai nešikliai modifikuoja RKKY sąveiką, taigi J ex . Perbraukta rodyklė nurodo fotono absorbciją 5 d 6 s laidumo juostoje, o tai kinematiškai draudžiama. Aiškumo dėlei parodyta tik dauguma (atsuktų) nešiklių.

Visas dydis

Ryškus MSHG atsako augimas, didėjant Gd koncentracijai, vykstančiai ps laikotarpiu. Pažymime, kad plačiai naudojamo 3TM 1, 7 nuotraukoje optinio siurblio impulsas, be to, kad sujaudins lokalizuotus 4 f elektronus ir sukuria 4 f 6 5 dt 2 g magnetinius eksitonus, sukels cheminį sužadinimą. nelaidūs nešikliai 5 d 6 s laidumo juostoje ir jų terminizacija padidintoje temperatūroje, atitinkančioje nusodintą energiją. Tai visada sumažintų J ex, nes feromagnetinis ryšys su elektronais energetiškai aukštesnės juostos būsenose tampa silpnesnis dėl padidėjusio jų bangos. (Šis jungties elgesys buvo patikrintas tiksliai apskaičiuojant RKKY sąveiką, atsižvelgiant į atitinkamą elektronų pasiskirstymą laidumo juostoje; žr. Papildomą diskusiją.) Be to, padidėjusi temperatūra tiesiogiai prisidėtų prie demagnetizacijos.

Optinis magnetinės jungties derinimas

Pradinio Δ I MSHG / I MSHG padidėjimo su n c reikšmė 4a pav. Yra tai, kad mažo skiedinio Eu 1 – Gd x O nešiklio šiluminimo laikas yra daug ilgesnis nei tankiuose keliaujančiuose feromagnetikuose, tokiuose kaip Ni arba Gd. Krūvio terminizacija yra lėta, nes ji vyksta elektronų ir elektronų sklaidymu, kurio greitis yra proporcingas nešiklio koncentracijai. Esant mažai ištirpintam 1 – x Gd x O, nešiklio koncentracija yra maždaug 100 kartų mažesnė nei grynojo Gd. Nešiklio šilumizacijos laikas grynuoju Gd yra lygus 50–100 fs (nuoroda 7). Dėl šios priežasties koeficientas 100 prailgina nešiklio šilumizacijos laiką, kai disperguotasis Eu 1− x Gd x O yra

Image

ps. Todėl darome išvadą, kad pirmųjų kelių ps dinamikoje vyrauja pusiausvyros krūvio nešiklio pasiskirstymas, tai yra, 3TM netaikomas. Dar svarbiau, kadangi elektronų ir elektronų sąveika šiuo laikotarpiu yra nereikšminga, kinematiškai draudžiama chemiškai sudarytų nešiklių, esančių 5 d 6 s juostoje, fotoeksuaciją į aukštesnės juostos būsenas. Dėl didelės energijos ir nereikšmingo fotono perduodamo impulso energijos ir impulsų išsaugojimas negali būti įgyvendinami tuo pačiu metu šiame dviejų kūnų procese. Priešingai, gali atsirasti 4 f 7 → 4 f 6 5 dt 2g perėjimo rezonansinis pumpvimas, nes jis patenkina energijos ir impulsų išsaugojimą (4c pav.).

Taigi, per keletą pirmųjų ps po fotoekscitacijos, nešiklio pasiskirstymą sudaro chemiškai pasklidę nešikliai 5 d 6 s laidumo juostoje, kuriems beveik nedaro įtakos siurblio impulsas, ir 4 f elektronų populiacijos dalis, kuri yra fotoekshibiciuojamas į būseną su 5 d elektronų simboliu. Visi mobilieji nešėjai prisideda prie stipresnės magnetinės jungties tarp „Eu 4 f“ sukinių. Šis sukabinimo mechanizmas atitinka eksperimentinius bandymus su mažo sudėjimo mėginiais, tačiau, kaip parodyta 2 papildomame paveiksle, nepaaiškinamas fotoindukuotas magnetinės jungties silpnėjimas, gautas toliau didinant Gd dopingą. Norint gauti šį susilpnėjimą, būtinas papildomas poveikis.

Dinaminė RKKY jungtis

Šis poveikis pastebimas laidumo juostos ir Gd priemaišų juostos sąveikoje. Nešiklio tankio padidėjimas laidumo juostoje cheminiu ar fotodopinginiu būdu sustiprina jo sąveiką su Gd priemaišų juosta. Kaip parodyta ref. 23 pav., Tai reiškia energetinį laidumo juostos poslinkį link Gd priemaišų juostos ir, atitinkamai, 4 f – 5 d 6 s tarpo energijos sumažėjimą. Šis poslinkis veikia 4–4 f RKKY mainus. Naudojant daugelio kūnų renormalizacijos teoriją, pateiktą ref. 23, mes apskaičiavome į RKKY panašų sukibimą ne pusiausvyros elektronų pasiskirstymui. Rezultatas parodytas 4b pav. Atsižvelgiant į teorinio modelio grubumą, pusiau kiekybinis ir skaitinis sutikimas su eksperimento rezultatu, pateiktu 4a pav., Yra įtikinamas. Net neatsižvelgiant į techninius skaičiavimo, kuris pateikiamas kaip papildoma diskusija, aspektus, nemonotonišką elgesį 4a, b paveiksle galima suprasti, kaip mes dabar apibūdiname.

Diskusija

Fotoekshibicionierių tankis yra proporcingas spektriniam tankiui esant energetiniam ħω p - E tarpui, kuriam skirtas fotoeksuacija . Taigi, didėjant Gd dopingo vartojimui, mažėjant E atotrūkiui, taigi didėjant nc, ir daugiau būsenų gali būti užpildyta fotoekstraktomis (žr. 4c pav.). Padidėjęs sužadintų nešėjų tankis padidina Δ J ex / J ex su n c . Galiausiai, kai nc > 10 20 cm – 3, Δ J ex / J ex ir Δ I MSHG / I MSHG dėl dviejų priežasčių užšąla iki neigiamos vertės. Pirmiausia, tolygiai keičiant laidumo juostą žemyn, energijos nesutapimas ħω p - E , o kartu su fotoaktyvių nešiklių banga , dar labiau padidėja. Taigi, dėl svyruojančios RKKY jungties priklausomybės nuo bangos numerio, J ex virsta silpnesne feromagnetine jungtimi. Antra, didėjant metalo pobūdžiui, elektronų ir elektronų išsibarstymo laikas sutrumpėja, todėl vyksta greita terminė šiluma ir kartu suaktyvinamas įmagnetinimas, ty pradeda vyrauti įprastinis demagnetizavimas pagal 3TM. Tai gražiai atspindi susikaupimo laiko pokytis nuo ~ 3 ps (RKKY sąveikos pasireiškimas) iki ~ 100 fs (terminizacija pagal 3TM) 3 paveiksle.

Apibendrinant, mes parodėme, kad ypač greita magnetinio sujungimo dinamika gali būti suderinta nuo fotoindukcijos padidinimo iki fotoindukuoto feromagnetinės eilės numalšinimo Eu 1 – Gd x O, kontroliuojant nešiklio tankį. Didžiausias feromagnetinės struktūros padidėjimas ir kryžminimasis gesinant buvo pastebėti atitinkamai maždaug n c ~ 10 19 ir ~ 10 20 cm – 3 . Šis elgesys paaiškinamas ne pusiausvyros teorija, peržengiančia nustatytą 3TM. Tai parodo, kad feromagnetinės struktūros stiprumą lemia fotoelektros sukeltų 5 d 6 s laidumo juostos grupių ir nuo gyventojų priklausomo laidumo juostos poslinkio poveikis. Tik derinant abu efektus, fotoaparatas sustiprina arba silpnina magnetinę tvarką. Mūsų eksperimentiniai rezultatai ir jų teorinis modeliavimas ne tik parodo, kaip ultragarsiniu laikotarpiu galima valdyti feromagnetinės būklės stabilumą, bet ir pateikia vadovą, kaip pasirinkti medžiagas ir suprojektuoti dinaminį optinį magnetinės tvarkos valdymą: sistemos, turinčios mažą tankį. laidumo juostos nešikliai (kurie yra suderinami), tačiau turintys didelį magnetinių momentų tankį (skirtingai nei, pavyzdžiui, praskiestuose magnetiniuose puslaidininkiuose) yra palankūs kandidatai.

Metodai

Mėginio augimas ir apibūdinimas

Ypač greito sukimosi dinamikai ištirti buvo naudojamos epitaksinės 35–1 nm storio „Eu 1− x Gd x O (001“) plėvelės ( x = 0–19, 5%), kurių adsorbcija kontroliuojama dvipusio šlifuoto YAlO 3 (110). ) monokristalų substratai molekulinės pluošto epitaksija 22 . Plėvelės buvo apsaugotos nuo oro amorfiniu silicio gaubtu, kurio storis 10–20 nm, ir nustatyta, kad juose nėra deguonies laisvų vietų rentgeno spinduliuotės absorbcijos spektroskopijos skyros 22 ribose. Vienodas augimas be antrinių fazių buvo patvirtintas rentgeno spindulių difrakcija, o Gd koncentracija x buvo nustatyta atliekant greitos gama aktyvacijos analizę ir rentgeno absorbcijos spektroskopiją 22 . Visos „Eu 1− x Gd x O“ plėvelės turi plokštumoje esančią magnetinę lengvą ašį. Apie jų fizines savybes buvo pranešta ref. 22.

Siurblio zondo eksperimentas

Eksperimentinis siurblio-zondo nustatymas parodytas 2 pav., Ti: safyro regeneracinės stiprintuvo sistemos išvestis esant 800 nm ( ħω p = 1, 55 eV), kai impulsų plotis yra 130 fs, o pasikartojimo dažnis - 2. 1 kHz buvo padalintas į dvi sijas. Vienas pluoštas buvo naudojamas rezonansiniam 4 f 7 → 4 f 6 5 dt 2 g perėjimo siurbimui esant 1, 55 eV. EuO absorbcijos ilgis esant šiai fotono energijai yra apie 100 nm, todėl visas filmas buvo sujaudintas. Kitas spindulys optiniu parametriniu stiprintuvu buvo paverstas į dažnio derinamą spindulį. Ši šviesa buvo naudojama norint nustatyti MSHG feromagnetinės tvarkos raidą laiko atžvilgiu. Ankstesni eksperimentai atskleidė 18, kad esant 2 ħω = 2, 60 eV, vengiama nuo temperatūros priklausomos tiesinės absorbcijos įtakos. Todėl mes pasirinkome ją kaip MSHG zondo energiją. Mėginio orientacija buvo pasirinkta tokia, kad kristalografinė įtampa į SHG signalą būtų slopinama taip, kad jungtis prie magnetinės tvarkos vyktų be fono 18 . MSHG išeiga I MSHG. | P (2 ω ) | 2 matuojamas esant normalios dažnio perdavimo geometrijai, esant plokštuminiame 50 mT magnetiniame lauke, kuris buvo naudojamas palaikyti vienos srities magnetinę būseną. Papildomi 1 MSHG matavimo techniniai aspektai ir jo galimybių ES- x Gd x O įmagnetinimo dinamikai nustatyti aptarimas pateikiami kaip papildomas 1 pav. Ir papildomas aptarimas.

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildomi 1-2 paveikslai, papildoma diskusija ir papildomos nuorodos.

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.