Russische wetenschappers hebben een nieuw elektro-optisch effect ontdekt: het elektrisch schakelen van de frequentie van een laserstraal die wordt gereflecteerd door het oppervlak van een metaalfilm. Dit fenomeen kan worden gebruikt om informatie in magnetische geheugenelementen te lezen of om lasers met afstembare frequentie te creëren, maar ook voor elektro-optische apparaten van de nieuwe generatie. Het werk werd gepubliceerd in Physical Review B.
Licht dat door een dunne film van een ferromagneet gaat, interageert met spingolven (magnonen). In dit geval, wanneer licht wordt gereflecteerd door een ferromagneet, kan de energie van de thermische magnon worden opgeteld bij de fotonenergie of ervan worden afgetrokken. Dit maakt het mogelijk om het frequentiespectrum van de gereflecteerde bundel te verkrijgen, waarbij de frequentie wordt gemoduleerd door thermische spingolven. Er vindt inelastische verstrooiing van invallende fotonen door magnonen plaats, die voldoen aan de selectieregels (de wet van behoud van energie en momentum). Als gevolg hiervan bevat het gereflecteerde licht informatie over welke spingolven aanwezig zijn in de ferromagnetische film. Deze techniek wordt Brillouin-verstrooiing van licht door spingolven genoemd.
In hun nieuwe werk gebruikten Russische wetenschappers dit fenomeen om de spinstroom in een antiferromagnetische film te bestuderen. Het is lastig om met een antiferromagneet te werken omdat de magnetisatie van dit materiaal laag is. Om het probleem op te lossen werd een ferromagneet op de antiferromagneet aangebracht en werd het hierboven beschreven schema gevolgd. Als er iets gebeurt in de antiferromagneet, reageert het Brillouin-verstrooiingsspectrum van licht in de aangrenzende ferromagnetische laag onmiddellijk op zelfs kleine veranderingen in de antiferromagneet. Bij het uitvoeren van deze experimenten in monsters van nanometerdikte ontdekten natuurkundigen een nieuw effect: een verandering in de kleur van de gereflecteerde straal terwijl er stroom door de antiferromagneet vloeit.
De eerste auteur van het werk is Maxim Bakhmetyev, Ph.D. D., junior onderzoeker bij het Russian Quantum Center, zegt: “Het verkregen resultaat onthult een nieuw elektro-optisch effect: elektrisch schakelen van de frequentie van een laserstraal die wordt gereflecteerd door het oppervlak van een metalen ferromagnetische film. Het doorgeven van stroom langs de ferromagnetische ‘spiegel’ leidt tot een verandering in de frequentie van de laserstraal die door het oppervlak wordt gereflecteerd.”
De wetenschapper legde uit dat wanneer er een elektrische stroom wordt doorgegeven, er spinpolarisatie van ladingsdragers plaatsvindt in de ferromagnetische laag. Deze ladingsdragers dringen vervolgens de antiferromagnetische laag binnen, het gebied grenzend aan de ferromagneet. Magnetisatie van deze laag leidt tot een verandering in de magnetisatierichting van de ferromagneet. Een verandering in de ferromagneet leidt tot een verandering in de frequentie van de gereflecteerde straal.
Natuurkundigen hebben ook aangetoond hoe spin-gepolariseerde stroom kan worden gebruikt om spingolven te beïnvloeden. Als je een spin-gepolariseerde stroom door het monster laat gaan, kun je de richting en het momentum van de spingolf bepalen. De verandering in de frequentie van laserlicht nadat het door het monster is gegaan, zal ook van deze parameters afhangen.
Dfm N. Alexander Chernov, hoofd van het laboratorium voor fysica van magnetische heterostructuren en spintronica voor energiebesparende informatietechnologieën bij MIPT en RKTs, voegt hieraan toe: “Het gebruik van dunne films van een antiferromagneet met een dikte van enkele nanometers maakte het mogelijk om spingolven in een aangrenzende laag magnetisch materiaal. Er werd een nieuw effect ontdekt, dat bestaat uit het veranderen van de frequentie van verstrooid licht bij interactie met de gecreëerde magnetische nanostructuur. De volgende fase zal de demonstratie van dit effect zijn voor heterostructuren gebaseerd op monolagen van tweedimensionale magnetische materialen.”
Maxim Bakhmetyev deelt zijn plannen: “We zijn van plan het ontdekte effect te gebruiken voor ultrasnelle magneto-optische omschakeling van de frequentie van het licht dat wordt gereflecteerd door een ferromagneet. Een korte elektrische stroompuls verandert effectief de frequentie van de straal die wordt gereflecteerd door het spiegeloppervlak van de dunne-filmstructuur van permalloy – een antiferromagneet.”
De studie werd uitgevoerd door wetenschappers van het Centrum voor Fotonica en 2D-materialen van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie, het Russische Quantumcentrum en het Federaal Onderzoekscentrum voor Problemen van Chemische Fysica en Medicinale Chemie van de Russische Academie van Wetenschappen.
bbabo.Net