T. Jungwirth, V. Novák, E. Rozkotová, T. Janda, J. Wunderlich, K. Olejník, D. Butkovičová, J. Zemen, F. Trojánek, P. Malý

Transkript

1 Optospintronika Cesta k femtomagnetismu P. Němec, N. Tesařová, Praha T. Jungwirth, V. Novák, E. Rozkotová, T. Janda, J. Wunderlich, K. Olejník, D. Butkovičová, J. Zemen, F. Trojánek, P. Malý J. Wunderlich, A. Irvine, B.G Park, Cambridge Texas Jairo Sinova,... - v roce 2011 byla založena Laboratoř Optospintroniky jako společné pracoviště dvou institucí: Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova v Praze Fyzikální ústav, Akademie věd České republiky

2 Obsah Spintronika Optospintronika: I. Foto-injekce spinově polarizovaných nosičů náboje - realizace prototypu spinového tranzistoru II. Materiálový výzkum - optická obdoba feromagnetické rezonance III. Femtomagnetismus - experimentální pozorování OSTT a OSOT Závěr

3 Elektronika snaha o zrychlování elektroniky - rychlost procesoru: frekvence: již několik let se nezvyšuje <= teplo počet vykonaných instrukcí v jednom hodinovém cyklu: ~ odmocnina počtu tranzistorů => zvyšování hustoty v integrovaných obvodech

4 zvyšování hustoty v integrovaných obvodech - platí tzv. Mooreův zákon: V integrovaných obvodech se počet tranzistorů na čtvereční centimetr zdvojnásobí každých 18 měsíců. Kdy se to zastaví? současnost: 22 nm litografie kolem 10 nm se začnou projevovat kvantové efekty => během pár let se zrychlování počítačů zastaví, a nebo se musí začít využívat nových fyzikálních principů

5 Spintronika nové odvětví elektroniky které využívá také spin elektronu spin = druh úhlového momentu hybnosti - koncept spinu navrhl W. Pauli a další kolem roku 1925 již existují komerční aplikace: - čtecí hlavy v pevných discích počítačů: - uvedeny na trh v roce 1997 firmou IBM - v roce 2007 byla udělena Nobelova cena ve fyzice za objev Gigantické Magnetorezistence malý odpor velký odpor

6 Spintronika předpovězené aplikace: - spinový polem řízený transistor (SFET): - navrhl S. Datta a B. Dass, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990). - výhody: - rychlejší - menší spotřeba - rekonfigurovatelná logika

7 Opto-Spintronika: I. Foto-injekce spinově polarizovaných nosičů náboje část spintroniky, kde se využívá světlo pro: 1) optickou injekci spinově polarizovaných nosičů náboje do polovodičů - pásová struktura polovodičů: vodivostní pás (CB) s-orbitaly kationtů (m J = ±1/2) valenční pás (VB) p-orbitaly aniontů (m J = ±3/2, ±1/2) - absorpce kruhově polarizovaného světla (úhlový moment hybnosti ± 1) - zákon zachování úhlového momentu hybnosti: m J = ± 1 - pravděpodobnosti přechodu 3 : 1 => stupeň spinové polarizace P n n n + n = 50%

8 Realizace prototypu spinového transistoru Spin injection Hall effect (SIHE) jeden z rodiny Hallovských efektů objeven v r. 2009: J. Wunderlich et al. optická injekce nosičů z co-planární fotodiody 2DHG/2DEG σ - R H [Ω] 100 n σ + n1 n2 n t m [s] J. Wunderlich a kol., Nat. Phys. 6, 675 (2009).

9 Realizace prototypu spinového transistoru Spin injection Hall effect (SIHE) jeden z rodiny Hallovských efektů objeven v r. 2009: J. Wunderlich et al. optická injekce nosičů z co-planární fotodiody 2DHG/2DEG σ - σ + n1 n2 n3 R H [Ω] 100 n n1 ( 4) t m [s] J. Wunderlich a kol., Nat. Phys. 6, 675 (2009).

10 Realizace prototypu spinového transistoru Spin injection Hall effect (SIHE) jeden z rodiny Hallovských efektů objeven v r. 2009: J. Wunderlich et al. optická injekce nosičů z co-planární fotodiody 2DHG/2DEG n1 n2 n3 R H [Ω] σ - σ + n2 n3 ( 4) n1 ( 4) t m [s] J. Wunderlich a kol., Nat. Phys. 6, 675 (2009).

11 Realizace prototypu spinového transistoru Spinový transistor napětí přiložené na hradlo mění periodu spinové precese => změna detekovaného napětí J. Wunderlich a kol., Science 330, 1801 (2010).

12 Opto-Spintronika: II. Materiálový výzkum část spintroniky, kde se využívá světlo pro: 2) určování materiálových parametrů látek pomocí světla - studium (ne)magnetických polovodičů (kovů, dielektrik) feromagnetický polovodič Ga 1-x Mn x As - částečné nahrazení nemagnetických atomů (Ga) magnetickými (Mn) časově-rozlišený magneto-optický experiment silný excitační laserový puls => změna magneto-optické aktivity vzorku slabý lineárně polarizovaný sondovací pulz => stočení polarizační roviny časové zpoždění mezi pulzy => určení dynamiky magnetizace

13 Laserovými pulsy vyvolaná precese magnetizace v Ga 1-x Mn x As optická obdoba feromagnetické rezonance (FMR) v GaMnAs pozorována poprvé v roce 2005 J. Supercond. Nov. Mag. 18, 9 (2005). MO signal (µrad) mechanismus: Time delay (ps) absorpce laserového pulzu => změna polohy snadné osy magnetizace vlivem zahřátí (a) equilibrium (b) impact of laser pulse (c) return to equilibrium => veškeré mikromagnetické parametry mohou být určeny z jediného experimentu P. Němec a kol., Nature Commun. 4, 1422 (2013).

14 Laserovými pulsy vyvolaná precese magnetizace v Ga 1-x Mn x As frekvence oscilací: > magnetická anizotropie vzorku K i rychlost tlumení oscilací => Gilbertův faktor tlumení α frekvenční vzdálenost precesních modů => spin stiffness D K i (mt) 50 K u 25 K c K out x (%) α (10-2 ) x (%) D (mev.nm 2 ) P. Němec a kol., Nature Commun. 4, 1422 (2013).

15 Opto-Spintronika: III. Femto-magnetismus část spintroniky, kde se využívá světlo pro: 3) ultrarychlou manipulaci s magnetizací - ultrarychlá technologická mezera: procesory zpracování informací frekvence 3 GHz 300 ps pevné disky ukládání informací jednotky ns => hledání možností jak kontrolovat směr magnetizace jiným způsobem než magnetickým polem - femtosekundové laserové pulzy: studium/změna magnetických systémů na kratší časové škále než: výměnná interakce ( ps) spin-orbitální interakce ( ps) precese spinů ( ps) Rev. Mod. Phys. 82, 2731 (2010).

16 Ultrarychlá manipulace s magnetizací 1. Změna velikosti magnetizace demagnetizace v niklu vyvolaná 60 fs laserovými pulzy: - sub-ps změna velikosti magnetického momentu => femtomagnetismus - efekt vysvětlen 3 teplotním modelem (elektrony, spiny, krystalová mříž) Phys. Rev. Lett. 76, 4250 (1996). 2. Změna směru magnetizace inverzní Faradayův jev: Faradayova rotace: χ magneto-optická susceptibilita => světlo působí jako efektivní magnetické pole - směr určen helicitou kruhové polarizace Nature 435, 655 (2005).

17 Magneto-optika v (Ga,Mn)As - v tomto materiálu existují dva různé magneto-optické signály, které jsou odpovědné za stočení roviny lineární polarizace světla polární Kerrův jev (PKE) magnetický lineární dichroismus (MLD) různý index lomu pro σ + and σ - kruhově polarizované světlo různá absorpce pro E and E lineárně polarizované světlo M

18 Metoda pro 3D rekonstrukci pohybu magnetizace z měřených magneto-optických signálů bez numerického modelování: polární Kerrův jev (PKE) magnetický lineární dichroismus (MLD) - stočení polarizace β β - stočení polarizace β nezávisí na orientaci závisí na orientaci polarizace světla polarizace světla β ~ sin 2 ϕ β => určení pohybu magnetizace kolmo k rovině vzorku δmo [001] PKE MLD ( t, β ) = δθ( t) P + δϕ( t) P 2cos 2( ϕ β ) 0 ( ) => určení pohybu magnetizace v rovině vzorku δm s + M ( t) MLD 0 P 2sin ϕ 0 M [010] ( ϕ β ) β β [100] E N. Tesařová a kol., Appl. Phys. Lett. 100, (2012).

19 Optické kroutivé momenty (torques) v (Ga,Mn)As absorpce laserového pulsu v (Ga,Mn)As => generace elektronů a děr - nezářivá rekombinace nosičů => nárůst teploty mříže => posun snadné osy - změna polohy magnetizace: desítky ps v roce 2004 bylo předpovězeno, že v (Ga,Mn)As by měla být pozorovatelná optická obdoba spin-transfer torque: J. Mag. Mag. Mater. 272, 1913 (2004). - přenos úhlového momentu ze spinově polarizovaného proudu do magnetizace:

20 Pozorování Optical Spin Transfer Torque v (Ga,Mn)As Teorie: přenos úhlového momentu hybnosti ze světla do feromagnetu absorpce kruhově polarizovaného pulsu => spinově-polarizované elektrony a díry => provázaná precesní dynamika magnetizace M a spinové hustoty nosičů s: dm J ds JSMncMn s = M s = s M + Pn dt dt τ foto-elektrony: foto-díry: precesní doba ~ 100 fs, P s spinová relaxace τ ~ 10 ps 0 ( n M) precesní doba ~ 10 fs, s JS Mn c 0 τ Pn Mn spinová relaxace τ ~ 1-10 fs => spinová hustota s 0 v rovině vzorku: => s 0 kolmo k rovině vzorku: d SMncMnM PM ( n M) d SMncMnM τ JSMncMn P( M n) dt dt => vychýlení M z roviny vzorku τ JS Mn c Mn / <<1 => malé vychýlení M P. Němec a kol., Nature Physics 8, 411 (2012).

21 Pozorování Optical Spin Transfer Torque v (Ga,Mn)As Experiment: 300 fs laserové pulsy Ga 1-x Mn x As obsahující 3-14% procent Mn (T c = K) při teplotě ~ 30 K excitační intenzita 70 µj.cm -2 => fotoinjekce ~ cm -3 nosičů náboje MO signal (µrad) σ + σ Time delay (ps) ϕ (deg) ps OSTT 700 ps σ + time 200 ps 500 ps 100 ps θ (deg) směr krutu určen helicitou kruhové polarizace (směrem úhlového momentu hybnosti) P. Němec a kol., Nature Physics 8, 411 (2012).

22 Pozorování Optical Spin-Orbit Torque v (Ga,Mn)As Teorie: relativistická spin-orbitální interakce v polovodiči absorpce laserového pulsu vyvolá nerovnovážnou koncentraci děr - spin-orbitální interakce => nerovnovážná spinová polarizace děr: magnetizace M => rozštěpení valenčních pásů směr spinové orientace děr na Fermiho ploše je znázorněn oranžovými šipkami Science 287, 1019 (2000). => provázaná precesní dynamika magnetizace M a spinové hustoty nosičů s: dm J ds = M s dt dt J 1 = s M + i => na magnetizaci působí krut: [ sˆ, ] H so kde s = ŝ dm = dt N. Tesařová a kol., Nature Photonics, v tisku 1 i [ sˆ, ] H so

23 Pozorování Optical Spin-Orbit Torque v (Ga,Mn)As Experiment: není jednoduché odlišit OSOT od teplem vyvolané dynamiky magnetizace <= nezávisí na polarizaci světla dá se separovat pomocí: (a) rychlosti náběhu signálu: teplotní jevy ~ desítky ps OSOT ~ sub-ps 3%, 0 mt vnějším magnetickým polem (b) kontroly magnetické anizotropie: dopování manganem 3%, 100 mt 9%, 0 mt N. Tesařová a kol., Nature Photonics, v tisku

24 Výhledy do budoucnosti 1) Studium fyziky spojené se STT a SOT (v GaMnAs a GaMnAsP): spin transfer torque (STT) tvoří základ pro fungování nové generace magnetic random access memories (MRAM) STT a SOT (spin-orbit torque) se projevují při šíření doménových stěn - přenos informace => magnonika Physics Reports 507, (2011). laserové pulzy mohou být o několik řádů kratší než pulzy elektrické

25 Výhledy do budoucnosti 2) Studium jiných materiálů (aplikačně zajímavějších): GaMnAs Curieova teplota feromagnetického uspořádání T c 190 K existují antiferomagnetické polovodiče s Néelovou teplotou T N > 400 K => antiferomagnetická spintronika: T. Jungwirth: grant European Research Council, : Spintronics based on relativistic phenomena in systems with zero magnetic moment => LiMnAs CuMnAs T. Jungwirth a kol., Phys. Rev. B 83, (2011). => Viewpoint in Physics: J. Cava, Physics 4, 7 (2011). spin-orbit torque by měl být pozorovatelný i v antiferomagnetech studium magnetických parametrů antiferomagnetů <= optická AFMR

26 Závěr Optika může být velice úspešně použita pro základní výzkum v oblasti polovodičové spintroniky Ultrakrátké laserové pulzy poskytují přístup k femto-magnetismu