ИСТИНА

Исследование фундаментальных свойств магнитных наноструктур актуально в силу важности данного класса объектов для самых различных приложений, что требует изучения физических механизмов формирования их свойств. Уменьшение размеров магнитных структур до нанометровых, соответствующее возрастание удельной роли поверхности и связанных с этим эффектов, приводят к появлению новых свойств магнетиков, таких как поверхностный и интерфейсный магнетизм, магнитная анизотропия, формирование магнитных вихревых и скирмионных состояний, и проч., характеризуемых неоднородным распределением намагниченности. В рамках данного проекта планируется исследовать нелинейно-оптические эффекты в наноструктурах на основе магнетиков, в которых за счет особенностей их композиционного состава и геометрической формы реализуется неоднородное распределение намагниченности. Экспериментальные исследования будут основаны на применении метода генерации оптической второй гармоники (ВГ), отличающегося высокой чувствительностью к свойствам поверхности и границ раздела центросимметричных сред, в том числе магнитных. Это принципиально отличает нелинейные магнитооптические эффекты от линейных магнитооптических аналогов, позволяя изучать магнитные эффекты на поверхностях и внутренних границах раздела, что важно в контексте тематики проекта. Кроме того, высокий ранг тензоров восприимчивостей, описывающих нелинейно-оптическое взаимодействие, позволяет диагностировать более сложные по симметрии эффекты взаимодействия электромагнитного излучения с намагниченной средой и состояния ее намагниченности, включая антиферромагнитное и вихревое магнитные состояния, магнитную и кристаллографическую анизотропию. Дополнительные уникальные возможности возникают при использовании метода микроскопии ВГ с субмикронным пространственным разрешением, а также векторных пучков в качестве излучения накачки, что планируется осуществить в наших экспериментах. Данный набор методов, которыми владеют исполнители проекта, будет использован для изучения нелинейно- оптических эффектов и визуализации особых состояний намагниченности в неоднородных магнитных наноструктурированных средах, которые планируется изготовить в рамках сотрудничества с ЦКП ИФМ РАН «Физика и технология микро- и наноструктур». С использованием уникального дорогостоящего прецизионного оборудования ЦКП ИФМ РАН будет также выполнена комплексная диагностика их структурных и морфологических свойств. В рамках проекта планируется выполнить следующие исследования: 1. Будет экспериментально исследован магнитоиндуцированный нелинейно-оптический отклик границы раздела ферромагнитный металл / немагнитный металл (W, Pt, Ta) или диэлектрик. Известно, что в ферромагнетике, находящемся в контакте с немагнитными средами, возможно формирование поверхностной намагниченности, параметры которой определяются свойствами обеих граничащих сред. Симметрия распределения намагниченности, индуцированная взаимодействием с немагнитной средой, должна приводить к модуляции квадратичного нелинейного отклика по сравнению с неструктурированными системами. К настоящему времени неизвестны работы по экспериментальному обнаружению намагниченности внутренних границ раздела таких сред, в том числе методом генерации второй гармоники. 2. Экспериментальный поиск новых эффектов, обусловленных неколлинеарной намагниченностью подсистем магнитных планарных наноструктур, в их квадратичном нелинейном оптическом отклике. Будут исследованы структуры на основе пленок кобальт – платина и пинингованных магнитных композитных планарных структур, при этом неколлинеарное распределение намагниченности будет создаваться за счет различной магнитной анизотропии составляющих подсистем. 3. Визуализация единичных магнитных вихрей и скирмионов в наноструктурированных магнитных пленках. Исследования будут выполнены методом микроскопии второй оптической гармоники с разрешением по поляризации, для ферромагнитных наноструктур, расположенных в планарном массиве, или изготовленных на основе коллоидных кристаллов. Согласно выполненному феноменологическому анализу, в случае магнитных вихрей и скирмионов неоднородное распределение намагниченности будет приводить к модуляции интенсивности и поляризации излучения ВГ. В то же время, принципиальная возможность наблюдения дополнительного источника ВГ была предсказана теоретически. 4. Изучение магнитного состояния поверхности антиферромагнетиков (IrMn, Cr2O3), границы раздела антиферромагнетик (IrMn, Cr2O3) / немагнитный металл (W, Pt, Ta), а также многослойных структур на основе таких материалов, методом генерации магнитоиндуцированной ВГ. На возможность существования макроскопической поверхностной намагниченности в антиферромагнетиках было указано работах [В.И. Марченко, ЖЭТФ 80, 2010 (1981); А.Ф. Андреев, Письма в ЖЭТФ, 63, 724 (1996)]. Для решения данной задачи будет выполнен анализ симметрии магнитоиндуцированного нелинейно-оптического отклика поверхности антиферромагнитного кристалла и структур на их основе, изучена анизотропия магнитоиндуцированной ВГ и магнитного нелинейно-оптического эффекта Керра. 5. Изучение эффектов резонансного усиления линейного и нелинейного магнитооптического отклика новых типов массивов плазмонных магнитных наночастиц и магнитных метаповерхностей, образованные неупорядоченным или периодическим массивами диэлектрических наночастиц (коллоидных кристаллов) с резонансами Ми, с нанесенным на них нанослоем ферромагнитного металла.

Studies of the fundamental properties of magnetic nanostructures is relevant because of the importance of this class of objects for a wide variety of applications, which requires investigation of physical mechanisms for the formation of their properties. Reduction of the size of magnetic structures to the nanometer scale leads to corresponding increase of the relative role of surface and the related effects, as well as to the appearance of new properties, including the surface and interface magnetism, magnetic anisotropy, the formation of magnetic vortex and skyrmion states, etc., characterized by an inhomogeneous magnetization distribution. Within the framework of this project, we plan to investigate nonlinear optical effects in nanostructures composed of magnetic materials, where a non-uniform distribution of magnetization is realized due to peculiarities of their composition and geometric shape. Experimental studies will be based on optical second harmonic generation (SHG) known by its high sensitivity to the properties of the surface and interfaces of centrosymmetric media, including magnetic ones. This is a principal peculiarity of the nonlinear magneto-optical effects as compared to their linear magneto-optical analogs allowing one to study magnetic effects on surfaces and internal interfaces, which is of primary importance for this project. In addition, high rank of susceptibility tensors describing the nonlinear-optical interaction allows for the diagnostics of more complicated in symmetry effects of the light-matter interaction, including special types of magnetic ordering including antiferromagnetic and vortex magnetic states, magnetic and crystallographic anisotropy. Additional unique opportunities arise when using SHG microscopy with submicron spatial resolution as well as vector beams as the pump radiation for the nonlinear experiments. This set of methods will be used to study the nonlinear optical effects and to visualize the special states of magnetization in inhomogeneous magnetic nanostructured media, which will be fabricated in cooperation with the Center of Institute Physics of Nanostructures RAS "Physics and Technology of micro- and nanostructures." With the use of unique and expensive precision equipment of the Center, the complex diagnostics of structural and morphological properties of the fabricated structures will be performed. The project is planned to perform the following studies: 1. Experimental studies of magnetization induced nonlinear-optical response of the ferromagnetic metal / nonmagnetic metal (W, Pt, Ta) or dielectric interface. It is known that in a ferromagnet that stays in contact with a nonmagnetic medium can reveal the formation of surface magnetization with parameters that are determined by the properties of the adjacent media. The symmetry of the magnetization distribution, induced by the interaction with a nonmagnetic medium should lead to a modulation of the second-order nonlinear-optical response that will be different as compared to unstructured systems. At present, there are no works on the experimental detection of the surface magnetization of the internal interfaces of such media using the second-harmonic generation technique. 2. Experiments aimed on the search and visualization of new effects induced by noncollinear distribution of magnetization of constituent parts of planar magnetic nanostructures. We plan to study the structures based on cobalt and platinum, as well as composite structures with pinning layers, so that nonuniform distribution of magnetization is formed due to different magnetic anisotropy of subsystems. 3. Visualization of single magnetic vortices and skyrmions by second-harmonic microscopy in nanostructured magnetic films. The experimental studies will be performed using the polarization-resolved optical second harmonic generation technique for ferromagnetic nanostructures located in a planar array, or made based on colloidal crystals. According to the performed phenomenological analysis, a non-uniform magnetization distribution in such structures will lead to a modulation of the intensity and polarization of the SHG radiation. At the same time, the fundamental possibility of observing an additional VG source was already predicted theoretically. 4. Study of the magnetic properties of the surface of antiferromagnets (IrMn, Cr2O3), and of interfaces between antiferromagnet (IrMn, Cr2O3) / non-magnetic metal (W, Pt, Ta), as well as multilayer structures based on such materials, magnetization-induced second harmonic generation. The possibility of the existence of macroscopic surface magnetization in antiferromagnets was predicted by [V.I. Marchenko, JETP 80, 2010 (1981); A.F. Andreev, Letters to JETP, 63, 724 (1996)]. To solve this problem, an analysis of the symmetry of the magnetization induced nonlinear-optical response of the surface of an antiferromagnetic crystal and structures based on them will be performed; the anisotropy of the magnetization induced SHG and magnetic nonlinear-optical Kerr effect will be studied. 5. Studies of resonant amplification of linear and nonlinear magneto-optical response of new types of arrays of plasmon magnetic nanoparticles and magnetic meta-surfaces, formed by disordered or periodic arrays of dielectric nanoparticles (colloidal crystals) coated with a deposited ferromagnetic metal and exhibiting Mie resonances.

1. Будет выполнено исследование поверхностной намагниченности в бислойных наноструктурах состава ферромагнитный металл/немагнитный металл (на примере W, Ag, Au, Pt, Ta толщиной несколько нанометров), обладающих различными константами спин-орбитального взаимодействия, или с диэлектриком. Экспериментально будут изучены анизотропия кристаллографического (немагнитного) и магнитоиндуцированного нелинейно-оптического отклика на частоте ВГ, проанализирована симметрия границ раздела и магнитоиндуцированных вкладов в сигнал второй гармоники. 2. Для различных азимутальных положений структуры будут измерены магнитные гистерезисы интенсивности ВГ для геометрии эксперимента, соответствующих наблюдению линейных и квадратичных по намагниченности эффектов на частоте ВГ. С учетом результатов анализа симметрии квадратичного отклика конкретных границ раздела будет показано наличие или отсутствие намагниченности интерфейсов, отличной по своим параметрам от магнитных свойств объемной ферромагнитной пленки. 3. Экспериментальный поиск нелинейно-оптических эффектов, обусловленных неколлинеарным распределением намагниченности в магнитных планарных наноструктурах. Будут исследованы структуры на основе пленок кобальт – платина , образованные двумя магнитными подсистемами с магнитной анизотропией легкая плоскость (пленка кобальта толщиной 2-10 нм) и легкая ось (многослойная пленка кобальт-платина, толщины слоев около 1 нм). 4. Будут измерены зависимости интенсивности ВГ от статического магнитного поля, ориентированного в различной геометрии относительно поверхности магнитной среды и для разных азимутальных положений структуры; проведено сравнение с результатами линейных магнитооптических измерений, характеризующих намагниченность объема ферромагнитного слоя. На основании комплекса проведенных измерений будет сделан вывод о наличии или отсутствии намагниченности интерфейсов, роли обменного взаимодействия с граничащими немагнитными металлами в данном эффекте. 5. Будет получена серия многослойных структур пленок кобальт – платина , образованных двумя магнитными подсистемами с магнитной анизотропией легкая плоскость (пленка кобальта толщиной 2-10 нм) и легкая ось (многослойная пленка кобальт-платина, толщины слоев около 1 нм), охарактеризованы структурные, магнитные и линейные магнитооптические свойства образцов. 6. Будет измерена зависимость интенсивности ВГ от приложенного меридионального магнитного поля для р-поляризованной ВГ, в данной геометрии эффект может быть зарегистрирован только при наличии неколлинеарного распределения намагниченности в структуре; Будет развито феноменологическое описание эффекта.

Коллектив исполнителей проекта составляет основу лаборатории нелинейной оптики наноструктур и фотонных кристаллов, кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, и имеет значительный научный задел по заявленной тематике. Исполнителями проекта выполнены пионерские работы по изучению спектроскопии второй и третьей оптических гармоник в плазмонных и магнитных наноструктурах, обнаружено усиление магнитных нелинейно-оптических эффектов в области плазмонного резонанса в магнитных наноструктурах и в регулярном массиве плазмонных золотых частиц в матрице магнитного диэлектрика. Методом генерации оптической второй гармоники визуализировано вихревое состояние намагниченности в планарном массиве наночастиц кобальта несимметричной формы. Выполнен цикл исследований оптических и нелинейно-оптических эффектов в планарных магнитоплазмонных кристаллах, образованных периодически перфорированной пленкой золота на поверхности магнитного диэлектрика (феррит-граната). Экспериментально выявлен новый механизм генерации ВГ в структурах с неоднородной намагниченностью, связанный с наличием магнитного тороидного момента. Впервые были изучены магнитоиндуцированные эффекты во второй оптической гармонике, в которых проявляются как кристаллографическая симметрия, так и магнитная анизотропия магнитной планарной наноструктурированной среды. Обнаружены эффекты, связанные с гиперболическим законом дисперсии магнитных метаматериалов, при этом показано, что в спектральной окрестности особой точки epsilon near zero наблюдается усиление магнитооптического отклика структуры.

В течение первого года реализации проекта были выполнены исследования, направленные на решение ряда задач. Во-первых, это изучение особенностей магнитных свойств, специфичных для границ раздела ферромагнитного и тяжелого металлов, для которых может проявляться асимметричное взаимодействие Дзялошинского-Мории и вызванное им формирование киральных магнитных состояний на интерфейсе. Во-вторых, были изучены структуры, более сложные по композиционному составу: трехслойные магнитные пленки на основе ферромагнитного и тяжелых металлов, а также композитная структура на основе кобальта и платины, в которой сформированы магнитные подсистемы с анизотропией «легкая плоскость» и «легкая ось», т.е. реализуется неколлинеарное распределение намагниченности. Принципиальным для выполнения поставленных задач явилось высокое качество магнитных наноструктур, в которых слои ферромагнитного и тяжелого металлов имели толщины вплоть до 1 нм; для их формирования были задействованы уникальные возможности центра коллективного пользования Института физики микроструктур РАН, соисполнителя данного проекта. Были получены следующие основные результаты. Показано, что пленочные магнитные структуры, изготовленные методом магнетронного напыления на неподвижные подложки, обладают одноосной магнитной анизотропией, в то время как кристаллографическая структура пленок близка к изотропной. Данный вывод сделан на основе измерений азимутальной анизотропии интенсивности линейно-поляризованной второй гармоники в присутствии и в отсутствие статического магнитного поля. Петли магнитного гистерезиса интенсивности второй гармоники для геометрии меридионального эффекта Керра демонстрируют две основные особенности для всех изготовленных бислойных структур. Первая из них – это резкое изменение интенсивности ВГ в области нулевого значения внешнего статического магнитного поля, обусловленное перемагничиванием пленок путем разворота намагниченности в плоскости образца. Второй обнаруженной особенностью является отличие значений полей насыщения, определяемых из магнитных гистерезисов нелинейного и линейного меридионального магнитооптического эффекта Керра, которые чувствительны к магнитным свойствам интерфейсов и объема ферромагнетика, соответственно. Наблюдаемая нами большая величина поля насыщения интерфейсной намагниченности по сравнению с полем насыщения объема ферромагнитной пленки указывает на различие их магнитных свойств. Для ряда структур на основе кобальта и тяжелых металлов обнаружен новый магнитоиндуцированный эффект в квадратичном нелинейно-оптическом отклике, а именно, модуляция интенсивности р-поляризованной компоненты второй гармоники при изменении знака приложенного меридионального магнитного поля, превышающего поле насыщения границ раздела и объема структур. Данный эффект запрещен по симметрии для структур с однородным состоянием намагниченности, в то же время, он был предсказан для структур с киральным или неколлинеарным распределением намагниченности. Нами было продемонстрировано, что асимптотические значения интенсивности ВГ для положительного и отрицательного насыщающих полей различны, например, для структур Co/Pt, что предположительно указывает на наличие киральных магнитных состояний на границе раздела структуры ферромагнетик – тяжелый металл, связанных с интерфейсным взаимодействием Дзялошинского-Мории. Аналогичный эффект также наблюдается в бислойной пленке Co/Ta, в то время как для образцов Co/MgO, Сo/Au, Co/Ag интенсивности второй гармоники в насыщающих внешних магнитных полях противоположных знаков практически совпадают. Похожие эффекты были обнаружены для «составных» структур на основе чередующихся слоев Со и Pt, состоящих из двух подсистем: пленки кобальта, в которой реализуется анизотропия «легкая плоскость», и многослойной Co/Pt пленки с магнитной анизотропией «легкая ось». Экспериментально показано, что в зависимостях интенсивности ВГ от напряженности внешнего поля наблюдаются резкие изменения вблизи Н=0, связанные с перемагничиванием пленки кобальта путем разворота намагниченности в плоскости. Обнаружена модуляция интенсивности р-поляризованной компоненты второй гармоники от составных структур при изменении знака приложенного меридионального магнитного поля, превышающего поле насыщения границ раздела и объема структур, обусловленная неколлинеарной намагниченностью магнитных подсистем в достаточно широком диапазоне приложенного магнитного поля (до 1.5 кЭ). Предложено феноменологическое описание механизма генерации ВГ в бислойных и «составных» магнитных структурах, в котором отклик на частоте ВГ определяется векторной суммой немагнитного (кристаллографического) и магнитоиндуцированных вкладов в нелинейную поляризацию, при этом были учтены как линейные по намагниченности составляющие нелинейной поляризации ВГ, так и квадратичные. Соответствующие теоретические зависимости находятся в качественном соответствии с данными эксперимента.