ОТ СПИНТРОНИКИ — К СТРЕЙН-МАГНИТООПТИКЕ

Эти исследования ведутся в многообещающей области спинтроники — стрейнтронике, которая изучает изменение физических свойств материалов за счет механических деформаций, возникающих под действием магнитных и (или) электрических полей. В стрейнтронике исследуются уникальные искусственные структуры с заданными магнитоэлектрическими свойствами, где «механически» связываются электрическое и магнитное состояния материалов. Такие структуры существенно расширяют элементную базу традиционной электроники, например, позволяют создавать компактные СВЧ-резонаторы и фильтры, наноразмерные датчики магнитного поля, ячейки памяти с рекордно низким энергопотреблением, микродвигатели и даже такие экзотические пока элементы нейронных сетей, как мемристоры и мемтрансторы. 

Но прежде чем говорить о полученном учеными результате, стоит сделать небольшое отступление о природе света и основных этапах исследования. Вот что сказал ведущий научный сотрудник Андрей Телегин (на фото):

— Пионерские работы о природе света И. Ньютона и Х. Гюйгенса появились в XVII — начале XVIII века.Основы современной теории электромагнитной природы света были заложены Д. Максвеллом в XIX веке. То, как мы видим окружающий мир, определяется обычно двумя основными параметрами — яркостью и цветом излучения. Свет может быть видимым (оптический диапазон с длиной волны 380–680 нм) и невидимым (например, инфракрасная область спектра — длина волны больше 700 нм и ультрафиолетовая — длина волны менее 350 нм). Различаемый глазом цвет связан с длиной волны электромагнитного излучения, отраженного или прошедшего через среду, и определяется строением и составом вещества. В начале XIX века Э. Малюс открыл явление поляризации света — упорядоченное колебание светового вектора в каком-то выделенном направлении. В окружающем нас мире свет обычно является деполяризованным или частично поляризованным (есть выделенное направление колебаний вектора напряженности электрического поля). Зрение человека нечувствительно к поляризации, однако ее можно определить с помощью специальных устройств. 

Больше двух столетий назад английские ученые М. Фарадей и Д. Керр установили, что поляризацией света можно управлять, приложив магнитное или электрическое поле к объекту, с которым свет взаимодействует. Дальнейшие исследования показали, что различные магнито- и электрооптические эффекты на основе изменения поляризации света максимальны в видимой области спектра. На основе эффектов Фарадея и Керра работает большинство современных оптоэлектронных устройств. Общий недостаток этих устройств — ограниченный спектральный диапазон и сложность конструкции из-за наличия поляризационных элементов.

Уральские ученые показали, что в ряде случаев гигантские магнитооптические эффекты могут быть получены и в естественном (неполяризованном) свете. Эти эффекты максимальны в инфракрасной области, где они превышают по интенсивности эффекты Фарадея или Керра в тех же материалах на один-два порядка. Механизмы обнаруженных эффектов были детально описаны в ряде статей, сделаны рекомендации по их практическому использованию и получены патенты РФ.

— Эффекты, связанные с поглощением света в твердом теле под действием магнитного поля, известны давно, — отмечает Андрей Телегин. — Как правило, они наблюдаются в области сверхнизких температур, в сверхсильных магнитных полях и составляют доли процента. Мы остановились на сильно-коррелированных соединениях, обладающих эффектом колоссального магнитосопротивления (сильной зависимости электрического сопротивления материала от величины внешнего магнитного поля) и хорошей прозрачностью в инфракрасной области спектра. Это, например, хромхалькогенидные шпинели, манганиты со структурой перовскита и т.д.

Основные механизмы поглощения и отражения света в таких магнитоупорядоченных соединениях с сильными электронными корреляциями связаны с зависимостью их зонной структуры и концентрации носителей заряда от температуры и магнитного поля. Исследуемые эффекты магнитоотражения и магнитопоглощения неполяризованного света достигают нескольких десятков процентов при комнатной температуре в широкой инфракрасной области спектра (0.8–20 мкм), где традиционные поляризационные эффекты, как правило, находятся на уровне чувствительности приборов. При этом скорость изменения интенсивности оптического сигнала (частота модуляции) может составлять недостижимую пока стандартными источниками магнитного поля величину порядка 10⁹–10¹² Гц. Таким образом, данные эффекты могут быть использованы для создания новых высокоскоростных инфракрасных сенсоров и модуляторов с повышенной эффективностью и функционалом (за счет широкого ИК-спектрального интервала, отсутствия поляризаторов и зависимости от ориентации магнитного поля и т.д.), столь необходимых сегодня для различных геофизических и военных применений.

— Да, мы обратили внимание на хорошо известный в СВЧ-электронике и магнитооптике магнитный оксид — кобальтовый феррит. Он близок по оптическим свойствам к изученным нами ранее соединениям со структурой шпинели, однако в отличие от них обладает максимальной среди полупроводниковых материалов магнитострикцией (изменением линейных размеров под действием магнитного поля). Кобальтовый феррит также отличается высокой прозрачностью в инфракрасном диапазоне и температурной стабильностью в широком интервале (температура Кюри порядка 550 градусов Цельсия). Благодаря гигантской магнитострикции (порядка 10^-4) он является основным рабочим элементом стрейнтронных структур. Обычно анализируется изменение электрического или магнитного состояния гетероструктуры, состоящей из пьезоэлектрика и магнитострикционного материала, во внешнем магнитном или электрическом поле. Однако до появления нашей работы никто особо не уделял внимания тому, что происходит с поглощением света в ИК-диапазоне в подобных структурах ввиду малости поляризационных эффектов и сложности измерения и интерпретации оптических спектров таких структур. Тут нам очень помог накопленный опыт в изучении механизмов магнитопоглощения света в манганитах и шпинелях. Кроме того, данные материалы обладают очень малой магнитострикцией. А значит, можно провести сравнительный анализ оптических данных и определить вклад магнитоупруго-оптических эффектов. В то же время еще тридцать лет назад Николай Бебенин в своей теоретической работе обратил внимание на связь деформационного потенциала и поглощения света в инфракрасном диапазоне в магнитных полупроводниках. Тем самым было положено начало изучению нового механизма магнитооптических эффектов, однако экспериментально это никем в мире не было подтверждено. С развитием возможностей приборной базы эта идея нашла применение в новом коллективном исследовании в области деформационной магнитооптики.  

Об этом рассказал зав. лабораторией магнитных полупроводников доктор физико-математических наук Юрий Сухоруков:

— Как уже говорилось, за основу мы взяли давнюю идею нашего коллеги Николая Бебенина о влиянии магнитоупругих свойств на поглощение света магнетиком. Большую роль сыграли наши уникальные высокочувствительные оптические установки, разработанные нами методики измерений и многолетний опыт изучения и интерпретации оптических свойств различных сильно-коррелированных соединений.

Мы провели большую работу и экспериментально подтвердили, что магнитное поле приводит к изменению спектров отражения и поглощения феррита и показали, что эти изменения коррелируют с гигантской магнитострикцией кристалла. Новый механизм магнитооптических эффектов не связан напрямую с магнитным полем, а объясняется влиянием наведенной магнитным полем деформации кристаллической решетки на поглощение света в материале за счет искажения электронной структуры. Это явление относится к деформационной магнитооптике, и новый оптический подраздел стрейнтроники мы по аналогии предложили назвать стрейн-магнитооптикой.

До последнего времени все исследования уральские ученые проводили на монокристаллах ферритов. Следующим этапом должны стать пленки феррита и гетероструктуры, комбинирующие магнитоупругие свойства феррита, а также других материалов с гигантской механической деформацией разной природы (например, галфенол, магнитоактивные и фото-полимеры, различные PZT-керамики и т.д.), с другими оптическими ИК-материалами. Использование обнаруженной корреляции между поглощением света и магнитострикцией позволяет существенно увеличить функционал и область применения стрейнтронных структур. Специалисты надеются, что в будущем их результаты могут стать основой для разработки новых бесконтактных стрейнтронных структур и оптических приборов, работающих на отличных физических принципах, чем существующие сегодня образцы магнитооптической памяти и модуляторов света на основе эффектов Фарадея и Керра.