Введение 3
1. Сверхбыстрые процессы и методы их исследования 6
1.1. Метод «накачка-зондирование» 6
1.2. Процессы возбуждения и релаксации в тонких плёнках 6
1.3. Магнитооптический эффект Керра 11
1.4. Основные механизмы, приводящие к магнитооптическим явлениям
Керра в тонких пленках Pd1-xFex 13
2. Образцы и техника эксперимента 17
2.1 Экспериментальная установка 17
2.2. Образцы 20
3. Эксперимент и его обсуждение 24
Заключение 32
СПИСОК ЦИТИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 33
Тонкопленочные гетероструктуры структуры типа сверхпроводник- ферромагнетик-сверхпроводник (С/Ф/С) лежат в основе устройств цифровой логики и элементов памяти, работающих при криогенных температурах [1,2]. Характеризующиеся высокой, порядка единиц терагерц, рабочей частотой и крайне низкой, порядка долей аттоватт [3,4], энергией на одно переключение, эти элементы приобретают весомое преимущество по сравнению с классическими высокотемпературными цифровыми элементами, особенно для создания нейромофных сетей и систем искусственного интеллекта [5,6].
Важной частью С/Ф/С-структур является ферромагнитный слой, свойства которого определяют диапазон применимости основанных на них устройств. Например, для создания устройств памяти на базе структур С/Ф/С необходимы материалы, которые характеризуются малым коэрцитивным полем и наличием магнитной анизотропии в плоскости ферромагнитного слоя. Одним из рассматриваемых кандидатов являются сплавы Pd1-xFex с x < 0.10.
Особенностью сплавов на основе палладия является механизм формирования магнитоупорядоченного (ферромагнитного) состояния. Палладий, исходя из критерия Стонера, находится на грани магнитной неустойчивости [7]. Как следствие, вокруг примесных атомов, например, железа, образуются магнитно-поляризованные области атомов палладия, названные магнитными поляронами. При понижении температуры размеры этих областей увеличиваются, а температура Кюри соответствует возникновению перколяции между магнитно-поляризованными областями, что приводит к установлению дальнего магнитного порядка. При этом, согласно исследованиям макроскопических образцов методами нейтронной дифракции [8],
парамагнитные области в сплаве полностью не исчезают из-за наличия локальной неоднородности концентрации железа в палладии, однако они проявляют тенденцию к уменьшению, стремясь к некоторой постоянной величине при дальнейшем понижении температуры.
Одной из критических характеристик С/Ф/С-структур является магнитная однородность ферромагнитного слоя, поскольку он определяет однородность значения разности фаз сверхпроводящей волновой функции, набегающей между С-слоями в ферромагнитной прослойке, по площади сверхпроводящей структуры. Следовательно, для реализации практически значимых С/Ф/С- структур со сплавами на основе палладия в качестве Ф-слоя возникает необходимость определения условий (концентрации железа и температуры) установления в последнем однородного ферромагнитного состояния.
Однако возможности метода рассеяния нейтронов для тонких пленок толщиной порядка 10 нм ограничены вследствие малого количества материала и малости сечения рассеяния. Соответственно, для проведения таких исследований требуются иные экспериментальные подходы и методы, чувствительные к магнитной неоднородности в таких материалах.
Отметим здесь, что интегральные методы, такие, например, как магнитометрия или стационарный магнитооптический эффект Керра, дают средние по исследуемому объему величины и для исследования неоднородностей неприменимы. То же касается и метода ферромагнитного резонанса, затрагивающего лишь магнитоупорядоченную область. Возможной альтернативой являются нестационарные методы, в которых система сначала выводится из равновесия, а затем отслеживается ее релаксация. По числу и характеру эволюции релаксационных компонент можно судить о степени однородности системы. Одним из таких методов исследования неравновесной динамики в различных системах является фемтосекундная лазерная спектроскопия.
Таким образом, целью данной работы является исследование методами оптической и магнитооптической фемтосекундной спектроскопии эволюции релаксационных откликов на импульсное фотовозбуждение тонкой пленки сплава Pd0.94Fe0.06 в температурном диапазоне, перекрывающем парамагнитное и ферромагнитное состояния.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) Освоить работу на установке для выполнения экспериментов по времяразрешенной оптической и магнитооптической спектроскопии методом «накачка-зондирование» с использованием фемтосекундных световых импульсов;
2) Ознакомиться с методами синтеза тонких эпитаксиальных пленок Pdi-xFex;
3) Исследовать зависимости от времени коэффициента отражения и поворота плоскости поляризации в магнитооптическом эффекте Керра в диапазоне температур 4.2 - 300 К.
4) Провести анализ полученных данных и сделать заключение об эффективности использования методов времяразрешенной оптической и магнитооптической спектроскопии для изучения магнитной неоднородности в тонких пленках Pd1-xFex.
Таким образом, в результате выполненной работы получены следующие основные результаты:
1. Проведены исследования тонкой эпитаксиальной пленки сплава Pdo.94Feo.o6 с Тс = 190 K на подложке MgO методами фемтосекундной оптической и магнитооптической спектроскопии. Обнаружены многокомпонентные отклики в динамике намагниченности и коэффициента отражения и определены характерные времена фотоиндуцированного размагничивания и восстановления намагниченности.
2. Несмотря на ожидаемую однородность ферромагнетизма для пленки палладия с 6 ат.% железа, наблюдались проявления магнитной неоднородности в диапазоне температур 80 K <Т < Тс. При температурах Т < 50 K ферромагнетизм становится практически однородным, тем не менее, в системе сохраняется до 10% объема парамагнитных вкраплений палладия, обедненных железом и слабо связанных с бесконечным ферромагнитным кластером.
3. Полученные результаты показывают, что примененная методика времяразрешенного лазерного зондирования в фемто- и пикосекундном диапазонах является эффективным инструментом для исследований магнитной неоднородности тонких пленок сплавов Pd1-xFex с малой концентрацией железа, перспективных для криоспинтронных приложений.
