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

Podobné dokumenty
Budoucnost mikroelektroniky ve hvězdách.... spintronika jednou z možných cest

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta. Dynamika spinové polarizace. Katedra chemické fyziky a optiky

Základy Mössbauerovy spektroskopie. Libor Machala

Objevy v oblasti antiferomagnetických materiálů mění způsob ukládání dat

Univerzita Karlova v Praze. Matematicko-fyzikální fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCE. Vít Saidl

Úvod do studia anorg. materiálů - MC240P33

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCE

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

POLOVODIČOVÁ SPINTRONIKA A ČASOVĚ ROZLIŠENÁ LASEROVÁ SPEKTROSKOPIE SEMICONDUCTOR SPINTRONICS AND TIME-RESOLVED LASER SPECTROSCOPY

Dynamika spinově polarizovaných nosičů náboje v polovodičích

Struktura a vlastnosti kovů I.

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská OKRUHY. ke státním zkouškám DOKTORSKÉ STUDIUM

Univerzita Karlova v Praze. Matematicko-fyzikální fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCE. Dagmar Butkovičová

Fyzika pevných látek. doc. RNDr. Jan Voves, CSc. Fyzika pevných látek Virtual Labs OES 1 / 4

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Úvod do moderní fyziky. lekce 9 fyzika pevných látek (vedení elektřiny v pevných látkách)

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Jiří Pařízek. Optická spektroskopie feromagnetických polovodičů

Kvantová informatika pro komunikace v budoucnosti

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta

magnetizace M(t) potom, co těsně po rychlé změně získal vzorek magnetizaci M 0. T 1, (2)

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Vzájemné silové působení

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

Zdroje optického záření

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

Karel Lemr. web: Karel Lemr Fotonové páry 1 / 26

Fyzikální vlastnosti materiálů FX001

Kovy - model volných elektronů

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Metody pro studium pevných látek

E g IZOLANT POLOVODIČ KOV. Zakázaný pás energií

ISŠT Mělník. Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, Mělník Ing.František Moravec

Metody nelineární optiky v Ramanově spektroskopii

LEPTONY. Elektrony a pozitrony a elektronová neutrina. Miony a mionová neutrina. Lepton τ a neutrino τ

Zobrazování. Zdeněk Tošner

Vznik a šíření elektromagnetických vln

Přehled veličin elektrických obvodů

způsobují ji volné elektrony, tzv. vodivostní valenční elektrony jsou vázány, nemohou být nosiči proudu

Atom vodíku. Nejjednodušší soustava: p + e Řešitelná exaktně. Kulová symetrie. Potenciální energie mezi p + e. e =

Přednáška IX: Elektronová spektroskopie II.

Využití fotonických služeb e-infrastruktury pro přenos ultrastabilních optických frekvencí

Dynamika polaritonů v mikrodutinách

1. Millerovy indexy, reciproká mřížka

Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.

Elektřina a magnetismus UF/ Základy elektřiny a magnetismu UF/PA112

Přehled posledních experimentů skupiny kvantové a nelineární optiky v Olomouci

VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_15_Bipolární tranzistor Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl

11-1. PN přechod. v přechodu MIS (Metal - Insolator - Semiconductor),

Spektrometrické metody. Luminiscenční spektroskopie

Spektrální charakterizace mřížkového spektrografu

Fyzika pro chemiky II

Jiří Brus. (Verze ) (neupravená a neúplná)

Zajímavé vlastnosti sluneční atmosféry: magnetická a rychlostní pole

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

4 Přenos energie ve FS

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

vodič u něho dochází k transportu el. nabitých částic, který je nevratný, dochází ke vzniku proudu a disipaci energie

Magnetické vlastnosti látek (magnetik) jsou důsledkem orbitálního a rotačního pohybu elektronů. Obíhající elektrony představují elementární proudové

λ hc Optoelektronické součástky Fotorezistor, Laserová dioda

Elektřina a magnetizmus polovodiče

Nukleární magnetická rezonance (NMR)

Graf I - Závislost magnetické indukce na proudu protékajícím magnetem. naměřené hodnoty kvadratické proložení. B [m T ] I[A]

3. Vlastnosti skla za normální teploty (mechanické, tepelné, optické, chemické, elektrické).

Modulace vlnoplochy. SLM vytváří prostorově modulovaný koherentní optický signál

Fakulta elektrotechnická

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

Elektrické vlastnosti pevných látek

Mikroskopie se vzorkovací sondou. Pavel Matějka

spinový rotační moment (moment hybnosti) kvantové číslo jaderného spinu I pro NMR - jádra s I 0

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 3 FEKT VUT v Brně ESO / P5 / J.Boušek 4

Femtosekundová laserová laboratoř na MFF UK

Maturitní otázky z fyziky Vyučující: Třída: Školní rok:

ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH, PLYNECH A POLOVODIČÍCH

Zadání bakalářské práce

Fyzika atomového jádra

elektrony v pevné látce verze 1. prosince 2016

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Energie elektronů v atomech nabývá diskrétních hodnot energetické hladiny.

Rovinná monochromatická vlna v homogenním, neabsorbujícím, jednoosém anizotropním prostředí

Elektřina a magnetizmus magnetické pole

Elektromagnetismus. - elektrizace třením (elektron = jantar) - Magnetismus magnetovec přitahuje železo zřejmě první záznamy o používání kompasu

ZÁKLADNÍ EXPERIMENTÁLNÍ

VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_16_Unipolární tranzistor Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

Tajemství ELI - nejintenzivnějšího laseru světa

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

Úvod do laserové techniky

ATOM VODÍKU MODEL : STOJÍCÍ BODOVÉ JÁDRO A ELEKTRON VZÁJEMNĚ ELEKTROSTATICKY INTERAGUJÍCÍ SCHRÖDINGEROVA ROVNICE PRO PŘÍPAD POTENCIÁLNÍ ENERGIE.

1 Zadání. 2 Úvod. Název a číslo úlohy 9 - Nelineární jevy v ultrarychlé optice. Měření provedli Jan Fait, Marek Vlk Vypracoval

Elementární částice. 1. Leptony 2. Baryony 3. Bosony. 4. Kvarkový model 5. Slabé interakce 6. Partonový model

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

Pozitron teoretická předpověď

Blue-light LED, modrá

9. ČIDLA A PŘEVODNÍKY

Metody potlačování koherence laserového světla pro potřeby zobrazování

OBSAH. Elektronika Elektrotechnika Technologická praktika Technická matematika Základy elektrotechniky...

Základní zákony a terminologie v elektrotechnice

8. Úvod do fyziky pevných látek

r W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, zahájil epochu polovodičové elektroniky, která se rozvíjí dodnes.

Transkript:

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

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

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

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

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 www.ibm.com malý odpor velký odpor

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

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%

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 n2 50 0-50 σ + n1 n2 n3-100 -4-2 0 2 4 t m [s] J. Wunderlich a kol., Nat. Phys. 6, 675 (2009).

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 n2 50 0-50 -100 n1 ( 4) -4-2 0 2 4 t m [s] J. Wunderlich a kol., Nat. Phys. 6, 675 (2009).

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] 100 50 0-50 -100 σ - σ + n2 n3 ( 4) n1 ( 4) -4-2 0 2 4 t m [s] J. Wunderlich a kol., Nat. Phys. 6, 675 (2009).

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).

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

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) 0-50 -100 0 1000 2000 3000 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).

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 75 10 3.0 K i (mt) 50 K u 25 K c 0-100 -150 K out -200 2 4 6 8 10 x (%) α (10-2 ) 8 2.5 6 4 2 2.0 1.5 0 1.0 2 4 6 8 10 x (%) D (mev.nm 2 ) P. Němec a kol., Nature Commun. 4, 1422 (2013).

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 ( 0.01 0.1 ps) spin-orbitální interakce ( 0.1 1 ps) precese spinů ( 1 1000 ps) Rev. Mod. Phys. 82, 2731 (2010).

Ultrarychlá manipulace s magnetizací 1. Změna velikosti magnetizace 1996 - 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 2005- inverzní Faradayův jev: Faradayova rotace: χ magneto-optická susceptibilita => světlo působí jako efektivní magnetické pole - směr určen helicitou kruhové polarizace Nature 435, 655 (2005).

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

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 2 0 0 ϕ 0 M [010] ( ϕ β ) β β [100] E N. Tesařová a kol., Appl. Phys. Lett. 100, 102403 (2012).

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: http://www.klaeui-lab.de

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).

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 = 77 182 K) při teplotě ~ 30 K excitační intenzita 70 µj.cm -2 => fotoinjekce ~ 10 19 cm -3 nosičů náboje MO signal (µrad) 25 0-25 σ + σ 0 500 1000 1500 Time delay (ps) ϕ (deg) 117 116 115 114 113 300 ps OSTT 700 ps σ + time 200 ps 500 ps 100 ps 89 90 91 θ (deg) směr krutu určen helicitou kruhové polarizace (směrem úhlového momentu hybnosti) P. Němec a kol., Nature Physics 8, 411 (2012).

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

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

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, 107-136 (2011). www.toshiba.co.jp laserové pulzy mohou být o několik řádů kratší než pulzy elektrické

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, 2011-2016: Spintronics based on relativistic phenomena in systems with zero magnetic moment => LiMnAs CuMnAs T. Jungwirth a kol., Phys. Rev. B 83, 035321 (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

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