Optospintronika

Spintronika je nové, dynamicky se rozvíjející odvětví elektroniky, které využívá k ukládání a zpracování dat magnetický moment – spin – nosičů náboje. Nové technologické koncepty se studují ve spintronice od začátku osmdesátých let, a první součástky již nalezly své komerční uplatnění (čtecí hlavy k pevným diskům či magnetické paměti typu “MRAM”). V nedávné době se ve spintronice začalo využívat také světlo, čímž vznikla její nová větev „optospintronika“. Využití interakce světla se spinovou polarizací nám poskytuje nové možnosti, jakými lze neinvazivně měnit a studovat magnetické uspořádání v materiálu na velmi krátkých časových škálách (až femtosekund), což je o několik řádů rychlejší než u ostatních existujících experimentálních technik. Náš výzkum v Laboratoři OptoSpintroniky (LOS) je zaměřen zejména na studium mechanizmů, kterými lze za použití laserových pulsů změnit orientaci magnetických momentů ve feromagnetických a antiferomagnetických materiálech na ultrakrátkých časových škálách.

Experimentální metody

Dopad femtosekundového excitačního pulsu na magneticky uspořádaný materiál vyvolává změny magnetického uspořádání. Ty jsou následně detekovány prostřednictvím měření stočení polarizační roviny odraženého (nebo propuštěného) lineárně polarizovaného sondovacího pulsu jako funkce časového zpoždění ∆t mezi oběma pulsy. Orientace magnetizace ve vzorku je popsána polárním úhlem j a azimutálním úhlem q. Vnější magnetické pole H_extje přiloženo v rovině vzorku pod úhlemj_H.

Studované materiály

Časově rozlišená laserová spektroskopie byla použita pro studium různých magneticky uspořádaných materiálů (a to jak feromagneticky, tak i antiferomagneticky) a také nemagnetických (paramagnetických) materiálů.

1) Antiferomagnetický kov CuMnAs

Kontrola a detekce spinového uspořádání ve feromagnetech je základní princip, který je v současnosti využíván k ukládání a čtení magneticky kódovaných informací. Naproti tomu velká třída antiferomagneticky uspořádaných materiálů je mnohem méně využívána i navzdory tomu, že tento typ materiálů má pro spintronické aplikace mnohé velice přitažlivé vlastnosti. Například absence vnějšího magnetického magnetického momentu a rozptýlených magnetických polí totiž eliminuje vzájemnou magnetickou interakci mezi sousedními součástkami. Nepřítomnost magnetizace v antiferomagnetech dále umožňuje mnohem rychlejší manipulaci se spinem, než je tomu možné v případě feromagnetů. Problematická je ale kontrola spinů v antiferomagnetech, protože vyžaduje velice vysoká magnetická pole. A dále pro studium antiferomagnetického uspořádání není možné využít běžné magnetometry. Nicméně pro studium a kontrolu magnetického uspořádání v antiferomagnetech je možné využít světlo [viz arXiv: 1705.10600].

Pro tento účel jsme vyvinuli optickou metodu, která umožňuje experimentální určení směru Néelova vektoru v tenkých kovových antiferomagnetických filmech přímo z naměřených dat i bez nutnosti jejich fitování teoretickým modelem [viz Nature Photonics 11, 91-97 (2017)]. Tuto experimentální metodu, která je založená na femtosekundovém experimentu excitace a sondování za využití magneto-optického Voigtova jevu, jsme demonstrovali v tenkém filmu antiferomagnetického kovu CuMnAs, což je velice zajímavý materiál, který byl použit pro první realizaci antiferomagnetického paměťového elementu.

2) Paramagnetický polovodič GaAs

Daleko-dosahový a rychlý transport spinově polarizovaných nosičů náboje tvoří jeden z klíčových předpokladů pro realizaci účinných spintronických logických součástek. Pro dosažení tohoto jsme využili optickou excitaci nedopované povrchové vrstvy na rozhraní GaAs/AlGaAs, kde vzniká vodivá vrstva s dlouhou dobou života, ve které není pohyblivost nosičů náboje snížena rozptylem na dopantech. Pro demonstraci unikátních spinových transportních vlastností této struktury jsme použili časově a prostorově rozlišenou metodu excitace a sondování. Tyto experimenty prokázali, že v této struktuře mohou být spiny elektronů transportovány na vzdálenosti přesahující 10 um v časech kratších než 1 nanosekunda [viz Scientific Reports 6, 22901 (2016)].

3) Feromagnetický polovodič GaMnAs

Díky přímému zakázaném pásu v polovodiči GaAs a silné výměnné interakci mezi spiny nosičů náboje a feromagneticky uspořádanými Mn ionty je (Ga,Mn)As obzvláště vhodným materiálem pro pozorování optických spinových krutů („torques“). Nicméně dosažení reprodukovatelného růstu vrstev (Ga,Mn)As a přesné určení jejich mikromagnetických parametrů – jako je Gilbertův faktor tlumení či spinová tuhost („spin stiffness“) – představuje velice obtížný cíl, kterého se nám podařilo dosáhnout teprve nedávno [viz Nature Commun. 4, 1422 (2013)].

Studium velice kvalitních epitaxních vrstev (Ga,Mn)As pomocí vysoce přesných magneto-optických experimentů nám umožnilo identifikovat dva nové jevy – „Optical Spin Transfer Torque“ a „Optical Spin-Orbit Torque“, které otevírají novou cestu ke změně orientace magnetizace na subpikosekundové časové škále.

Optical Spin Transfer Torque

[Nature Physics 8, 411 (2012)]

„Optical Spin Transfer Torque“ (OSTT) představuje nerelativistický jev, kdy dochází k přenosu úhlového momentu hybnosti (spinu) z opticky injektovaných elektronů na magnetizaci ve feromagnetu. Vzájemně provázaná precesní dynamika magnetizace a spinů fotoinjektovaných nosičů náboje (elektronů) má za následek působení krutu na magnetizaci, který je kolmý na rovinu vzorku a současně na směr magnetizace, a jehož orientace je dána helicitou excitačního světla.

Dynamiku magnetizace sledujeme pomocí časově rozlišených magneto-optických (MO) měření, která jsou založena na citlivosti polarizace odraženého světla na směr magnetizace. Precese magnetizace vyvolaná jevem OSST se projevuje jako oscilující MO signál, v němž je fáze oscilací dána točivostí kruhově polarizovaných excitačních pulsů. Zaznamenaný MO signál lze modelovat Landau-Lifshitz-Gilbertovou rovnicí (LLG), což umožňuje zrekonstruovat pohyb magnetizace v čase a tím i potvrdit ultrarychlé (pod 1 ps) počáteční vyklopení magnetizace vyvolané laserovými pulsy.

Jevu OSTT je možné také využít k účinné manipulaci s magnetickými doménami a doménovými stěnami (DW), jak jsme ukázali v Nature Commun. 8, 15226 (2017). Je-li magnetizace ve feromagnetu orientována kolmo na jeho povrch, je krut vyvolaný OSTT při kolmém dopadu kruhově polarizovaného světla nulový. Na rozhraní mezi dvěma doménami s opačnou orientací magnetizace (tedy uvnitř DW) ale magnetizace plynule přechází z jedné kolmé orientace v opačnou a má zde tedy také nenulovou složku rovnoběžnou s povrchem vzorku. Na tomto místě tedy OSTT působí nenulovým krutem, což vede k pohybu celé DW, jehož směr je řízen točivostí kruhové polarizace světla. Z těchto měření také vyplynulo, že na DW lze pohlížet jako na kvazičástici, která se pohybuje setrvačností i po odeznění budícího femtosekundového optického pulzu.

Optical Spin-Orbit Torque

[Nature Photonics, DOI:10.1038/NPHOTON.2013.76]

„Optical Spin-Orbit Torque“ (OSOT) je relativistický jev, který nastává v nepřítomnosti vnějšího spinového polarizátoru. OSOT vzniká pouze na základě spin-orbitální interakce působící na nerovnovážné nosiče náboje (díry), které jsou excitované laserovými pulsy – libovolné polarizace – do feromagnetu. Vzájemně provázaná precesní dynamika vede opět ke vzniku krutu působícího na magnetizaci a následně k precesi magnetizace. Hlavní obtíž v tomto experimentu spočívá v oddělení dynamiky magnetizace pocházející z OSOT od dynamiky způsobené teplotním mechanizmem (tj. laserem vyvolaným ohřátím vzorku).

Pro dosažení tohoto cíle jsme vyvinuli novou experimentální techniku, která umožňuje z magneto-optických (MO) signálů zrekonstruovat na kvantitativní úrovni 3D trajektorii magnetizace v (Ga,Mn)As, a to zcela bez použití numerického modelování [viz Appl. Phys. Lett. 100, 102403 (2012)]. Pomocí této metody jsme určili experimentální podmínky, za kterých v naměřených MO datech dominuje signál spojený s OSOT. Například pro nízké excitační intenzity převažuje pomalý náběh teplem vyvolané precese, zatímco pro vyšší excitační intenzity se objevuje také okamžité vyklopení magnetizace vlivem OSOT. Počáteční vyklopení magnetizace díky OSOT může navíc způsobit precesi s takovými úhly, které jsou při čistě teplotním mechanizmu nedostupné.