ДВУХКАНАЛЬНЫЙ СТРОБИРУЕМЫЙ ИНТЕГРАТОР ДЛЯ ВРЕМЯРАЗРЕШЕННОЙ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
|
Введение 3
2. Литературный обзор 7
2.1. Описание динамики намагниченности уравнением Ландау-Лившица-
Гильберта 7
2.2. Учет продольной релаксации вектора намагниченности, уравнение
Ландау-Лившица-Блоха 8
2.3. Эффекты Фарадея и вынужденное комбинационное рассеяние 9
2.4. Экспериментальные техники исследования 12
2.5. Обзор результатов экспериментальных исследований 17
2.5.1. Сверхбыстрое размагничивание ферромагнитных металлов 17
2.5.2. Модель трех тепловых резервуаров 20
2.5.4. Наведенная сверхкоротким лазерным импульсом прецессия
намагниченности 26
2.5.5. Магнитная прецессия в ферромагнитных наноструктурах 27
2.5.6. Прецессия намагниченности в ферримагнетиках 29
2.5.7. Обращение намагниченности в ферримагнетике GdFeCo 33
2.5.8. Термоассистируемая магнитная запись на пленках FePt 36
3. Стробируемый интегратор 38
4. Экспериментальные результаты 43
4.1 Статический МОЭК 45
4.2 Времяразрешенный МОЭК 48
5. Заключение 50
6. Список литературы
2. Литературный обзор 7
2.1. Описание динамики намагниченности уравнением Ландау-Лившица-
Гильберта 7
2.2. Учет продольной релаксации вектора намагниченности, уравнение
Ландау-Лившица-Блоха 8
2.3. Эффекты Фарадея и вынужденное комбинационное рассеяние 9
2.4. Экспериментальные техники исследования 12
2.5. Обзор результатов экспериментальных исследований 17
2.5.1. Сверхбыстрое размагничивание ферромагнитных металлов 17
2.5.2. Модель трех тепловых резервуаров 20
2.5.4. Наведенная сверхкоротким лазерным импульсом прецессия
намагниченности 26
2.5.5. Магнитная прецессия в ферромагнитных наноструктурах 27
2.5.6. Прецессия намагниченности в ферримагнетиках 29
2.5.7. Обращение намагниченности в ферримагнетике GdFeCo 33
2.5.8. Термоассистируемая магнитная запись на пленках FePt 36
3. Стробируемый интегратор 38
4. Экспериментальные результаты 43
4.1 Статический МОЭК 45
4.2 Времяразрешенный МОЭК 48
5. Заключение 50
6. Список литературы
В настоящее время актуальной проблемой в области разработки устройств записи/хранения информации является увеличение быстродействия и ёмкости носителей информации. Двумя наиболее востребованными в компьютерах сейчас являются накопители на жестких магнитных дисках - «винчестеры», - и твердотельные носители (SSD), использующие эффекты, не связанные с магнетизмом - так называемая « флэш-память».
Жесткие магнитные диски, в которых запись битов информации основана на ориентации вектора намагниченности пространственно-ограниченных областей (доменов) поверхности диска, образованной ферромагнитной пленкой, а перемагничивание осуществляется электромагнитной головкой, приближаются к теоретическому максимуму быстродействия. Это связано как минимум с тем фактом, что записывающая головка является электромагнитом, а, значит, характеризуется конечной индуктивностью, ток через которую, как известно, не может изменяться мгновенно. То есть, такой метод записи информации имеет свое естественное ограничение и служит своего рода «узким горлом» для быстродействия этого типа носителей. В то же время, хранение данных на магнитных носителях является надежным и хорошо предсказуемым. Поэтому электромагнитному методу записи и чтения информации с магнитных дисков достаточно давно ищется альтернатива.
В этой связи, обнаружение в середине 90-х годов ХХ века эффекта сверхбыстрого размагничивания металлических ферромагнитных пленок фемтосекундными лазерными импульсами ближнего инфракрасного диапазона послужило толчком к зарождению целого научного направления - фемтомагнетизма [1, 2, 3, 4, 5]. Обозначенное направление развивается очень быстро: уже исследованы эффекты в широком спектре магнитоупорядоченных материалов - металлических ферромагнетиков, магнитных полупроводников, диэлектриков и полуметаллов.
Одна из наиболее ярких работ последних лет [6] предсказывает возможность через чисто тепловое воздействие гарантированно изменять намагниченность освещаемой области тонкой ферримагнитной пленки. Принципиальным в этом случае является двухподрешеточное строение магнетика с существенно различающимися по магнитной динамике свойствами. Так, две подрешетки в упомянутой работе состояли из ионов железа-кобальта (переходные металлы третьей группы) и гадолиния (редкоземельные f-элементы).
Исследованиями в данном направлении так же заинтересована и лаборатория фемтосекундной лазерной спектроскопии Института физики КФУ. В лаборатории создается установка для исследования сверхбыстрой динамики намагниченности методом накачки-зондирования. Установка реализуется на базе фемтосекундного лазера марки Legend-USP компании COHERENT. Выходное излучение лазера представляет собой последовательность импульсов длительностью 35 фс с центральной длиной волны 800 нм и частотой следования 1 кГ ц. Мерой намагниченности служит угол поворота плоскости поляризации света зондирования, прошедшего через образец (эффект Фарадея), либо отраженного от образца (магнитооптический эффект Керра). Угол поворота плоскости поляризации определяется по разности интенсивностей двух ортогонально поляризованных компонент света зондирования после взаимодействия с образцом. Интенсивности этих двух компонент детектируются фотодиодами S2386-5K фирмы HAMAMATSU.
Постоянная времени отклика этих фотодиодов - порядка 1 микросекунды. В такой ситуации серьезной проблемой оказывается большая (более 100) скважность анализируемых сигналов. Техника синхронного детектирования, обычно используемая в подобных экспериментах, оказывается малоэффективной. Это обусловлено тем фактом, что для увеличения отношения сигнал/шум при синхронном детектировании используется частотная фильтрация для отсечения частотного диапазона, не содержащего полезной информации. Входной сигнал цифрового синхронного детектора, используемого в лаборатории, поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) с частотой дискретизации 1 МГц и затем обрабатывается в вычислительном блоке на базе микропроцессора. Очевидно, что при длительности полезных сигналов на входе в несколько микросекунд на один импульс напряжения на входе детектора придется столько же точек на выходе АЦП. Более того, небольшие сдвиги по времени относительно поступающих на вход импульсов приведут к существенным флуктуациям амплитуды детектируемого сигнала.
Другим известным способом увеличения отношения сигнал/шум, использующимся именно в случае сигналов с большой скважностью, является временная фильтрация, когда анализу и усреднению подвергается входной сигнал лишь в течение временных промежутков, в которых в сигналах содержится полезная информация. Примером такого устройства является синхронный, или стробируемый, интегратор (boxcar integrator). Поскольку подобным устройством мы не располагали, было решено его изготовить. Это давало возможность также «заточить» его характеристики под специфику решаемой задачи.
Стоит отметить, что уже имеется определенный набор обзоров [7, 8] рассматривающих возможность использования данного метода для улучшения характеристик соотношения сигнал-шум сигналов при исследовании сверхбыстрой динамики намагниченности. Более того, целый выпуск журнала Nature Physics в 2009 году был посвящен вопросам фемтомагнетизма [9].
Таким образом, целью данной работы являлось изготовление двухканального стробируемого интегратора для балансного фотодетектора на базе двух фотодиодов для экспериментальной установки по времяразрешенной магнитооптической спектроскопии и его практическая апробация.
Для этого требовалось решить следующие задачи:
1. Разработать схему стробируемого интегратора, изготовить и отладить его. К разрабатываемому устройству предъявлялись следующие требования:
- наличие двух идентичных каналов для каждого из фотодиодов;
- возможность регулировки времени интегрирования в диапазоне 1 - 300 мкс;
- формирование на выходе суммарного и разностного сигналов;
- компенсация сдвига нулевого уровня входного сигнала.
2. Выполнить актуальный обзор статей по времяразрешенной магнитооптической спектроскопии.
3. На базе собранной информации выбрать образец и конфигурацию эксперимента для апробации разработанного устройства. Выполнить запланированные эксперименты и сделать заключение о пригодности изготовленного устройства для нужд магнитооптической спектроскопии с фемтосекундным временным разрешением.
Жесткие магнитные диски, в которых запись битов информации основана на ориентации вектора намагниченности пространственно-ограниченных областей (доменов) поверхности диска, образованной ферромагнитной пленкой, а перемагничивание осуществляется электромагнитной головкой, приближаются к теоретическому максимуму быстродействия. Это связано как минимум с тем фактом, что записывающая головка является электромагнитом, а, значит, характеризуется конечной индуктивностью, ток через которую, как известно, не может изменяться мгновенно. То есть, такой метод записи информации имеет свое естественное ограничение и служит своего рода «узким горлом» для быстродействия этого типа носителей. В то же время, хранение данных на магнитных носителях является надежным и хорошо предсказуемым. Поэтому электромагнитному методу записи и чтения информации с магнитных дисков достаточно давно ищется альтернатива.
В этой связи, обнаружение в середине 90-х годов ХХ века эффекта сверхбыстрого размагничивания металлических ферромагнитных пленок фемтосекундными лазерными импульсами ближнего инфракрасного диапазона послужило толчком к зарождению целого научного направления - фемтомагнетизма [1, 2, 3, 4, 5]. Обозначенное направление развивается очень быстро: уже исследованы эффекты в широком спектре магнитоупорядоченных материалов - металлических ферромагнетиков, магнитных полупроводников, диэлектриков и полуметаллов.
Одна из наиболее ярких работ последних лет [6] предсказывает возможность через чисто тепловое воздействие гарантированно изменять намагниченность освещаемой области тонкой ферримагнитной пленки. Принципиальным в этом случае является двухподрешеточное строение магнетика с существенно различающимися по магнитной динамике свойствами. Так, две подрешетки в упомянутой работе состояли из ионов железа-кобальта (переходные металлы третьей группы) и гадолиния (редкоземельные f-элементы).
Исследованиями в данном направлении так же заинтересована и лаборатория фемтосекундной лазерной спектроскопии Института физики КФУ. В лаборатории создается установка для исследования сверхбыстрой динамики намагниченности методом накачки-зондирования. Установка реализуется на базе фемтосекундного лазера марки Legend-USP компании COHERENT. Выходное излучение лазера представляет собой последовательность импульсов длительностью 35 фс с центральной длиной волны 800 нм и частотой следования 1 кГ ц. Мерой намагниченности служит угол поворота плоскости поляризации света зондирования, прошедшего через образец (эффект Фарадея), либо отраженного от образца (магнитооптический эффект Керра). Угол поворота плоскости поляризации определяется по разности интенсивностей двух ортогонально поляризованных компонент света зондирования после взаимодействия с образцом. Интенсивности этих двух компонент детектируются фотодиодами S2386-5K фирмы HAMAMATSU.
Постоянная времени отклика этих фотодиодов - порядка 1 микросекунды. В такой ситуации серьезной проблемой оказывается большая (более 100) скважность анализируемых сигналов. Техника синхронного детектирования, обычно используемая в подобных экспериментах, оказывается малоэффективной. Это обусловлено тем фактом, что для увеличения отношения сигнал/шум при синхронном детектировании используется частотная фильтрация для отсечения частотного диапазона, не содержащего полезной информации. Входной сигнал цифрового синхронного детектора, используемого в лаборатории, поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) с частотой дискретизации 1 МГц и затем обрабатывается в вычислительном блоке на базе микропроцессора. Очевидно, что при длительности полезных сигналов на входе в несколько микросекунд на один импульс напряжения на входе детектора придется столько же точек на выходе АЦП. Более того, небольшие сдвиги по времени относительно поступающих на вход импульсов приведут к существенным флуктуациям амплитуды детектируемого сигнала.
Другим известным способом увеличения отношения сигнал/шум, использующимся именно в случае сигналов с большой скважностью, является временная фильтрация, когда анализу и усреднению подвергается входной сигнал лишь в течение временных промежутков, в которых в сигналах содержится полезная информация. Примером такого устройства является синхронный, или стробируемый, интегратор (boxcar integrator). Поскольку подобным устройством мы не располагали, было решено его изготовить. Это давало возможность также «заточить» его характеристики под специфику решаемой задачи.
Стоит отметить, что уже имеется определенный набор обзоров [7, 8] рассматривающих возможность использования данного метода для улучшения характеристик соотношения сигнал-шум сигналов при исследовании сверхбыстрой динамики намагниченности. Более того, целый выпуск журнала Nature Physics в 2009 году был посвящен вопросам фемтомагнетизма [9].
Таким образом, целью данной работы являлось изготовление двухканального стробируемого интегратора для балансного фотодетектора на базе двух фотодиодов для экспериментальной установки по времяразрешенной магнитооптической спектроскопии и его практическая апробация.
Для этого требовалось решить следующие задачи:
1. Разработать схему стробируемого интегратора, изготовить и отладить его. К разрабатываемому устройству предъявлялись следующие требования:
- наличие двух идентичных каналов для каждого из фотодиодов;
- возможность регулировки времени интегрирования в диапазоне 1 - 300 мкс;
- формирование на выходе суммарного и разностного сигналов;
- компенсация сдвига нулевого уровня входного сигнала.
2. Выполнить актуальный обзор статей по времяразрешенной магнитооптической спектроскопии.
3. На базе собранной информации выбрать образец и конфигурацию эксперимента для апробации разработанного устройства. Выполнить запланированные эксперименты и сделать заключение о пригодности изготовленного устройства для нужд магнитооптической спектроскопии с фемтосекундным временным разрешением.
Таким образом, в результате проделанной работы были получены следующие результаты:
1. Разработан, изготовлен и отлажен двухканальный стробируемый интегратор напряжения со схемами вычитания и сложения на выходе.
2. Проведена успешная апробация интегратора в экспериментах по стационарному и времяразрешенному магнитооптическому эффекту Керра на тонкой магнитной пленке FePt с перпендикулярной анизотропией.
3. В стационарном эффекте Керра в полярной геометрии наблюдается симметричная петля гистерезиса, характеризуемая большой величиной угла поворота плоскости поляризации в насыщении - 12.1 миллирадиан, и коэрцитивной силой 1160 Э. Угол поворота Керра в меридиональной геометрии на два порядка меньше и содержит две компоненты: линейную и квадратичную. Эти компоненты соответствуют изменениям составляющих намагниченности, лежащей в плоскости пленки (вдоль приложенного магнитного поля) и перпендикулярной плоскости.
4. Времяразрешенный фотоиндуцированный угол поворота плоскости поляризации в меридиональной геометрии содержит четную и нечетную по полю составляющие. Первый вклад проявляет двухэкспоненциальную релаксацию с характерными временами 1.7 пс и 24 пс и обусловлен предположительно наведенной импульсом накачки анизотропией коэффициента отражения пленки. Нечетный по полю вклад имеет магнитную природу, нарастает с характерным временем 530 фс и медленно релаксирует на масштабе сотен пикосекунд. Он обусловлен, по- видимому, фотоиндуцированным отклонением намагниченности от нормали к плоскости в направлении приложенного поля благодаря уменьшению поля анизотропии, связанному с нагревом и последующим остыванием пленки.
1. Разработан, изготовлен и отлажен двухканальный стробируемый интегратор напряжения со схемами вычитания и сложения на выходе.
2. Проведена успешная апробация интегратора в экспериментах по стационарному и времяразрешенному магнитооптическому эффекту Керра на тонкой магнитной пленке FePt с перпендикулярной анизотропией.
3. В стационарном эффекте Керра в полярной геометрии наблюдается симметричная петля гистерезиса, характеризуемая большой величиной угла поворота плоскости поляризации в насыщении - 12.1 миллирадиан, и коэрцитивной силой 1160 Э. Угол поворота Керра в меридиональной геометрии на два порядка меньше и содержит две компоненты: линейную и квадратичную. Эти компоненты соответствуют изменениям составляющих намагниченности, лежащей в плоскости пленки (вдоль приложенного магнитного поля) и перпендикулярной плоскости.
4. Времяразрешенный фотоиндуцированный угол поворота плоскости поляризации в меридиональной геометрии содержит четную и нечетную по полю составляющие. Первый вклад проявляет двухэкспоненциальную релаксацию с характерными временами 1.7 пс и 24 пс и обусловлен предположительно наведенной импульсом накачки анизотропией коэффициента отражения пленки. Нечетный по полю вклад имеет магнитную природу, нарастает с характерным временем 530 фс и медленно релаксирует на масштабе сотен пикосекунд. Он обусловлен, по- видимому, фотоиндуцированным отклонением намагниченности от нормали к плоскости в направлении приложенного поля благодаря уменьшению поля анизотропии, связанному с нагревом и последующим остыванием пленки.