Магнитооптика и оптомагнетизм в наноструктурах

Cover Page
  • Authors: Игнатьева Д.О.1,2,3, Присяжнюк А.В.2, Кричевский Д.М.3,4, Белотелов В.И.1,2,3
  • Affiliations:
    1. Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова
    2. Крымский федеральный университет им. В.И.Вернадского
    3. Российский квантовый центр
    4. Московский физико-технический институт (государственный университет)
  • Issue: Vol 53, No 8 (2023)
  • Pages: 597-608
  • Section: Обзоры (по материалам xlvii вавиловских чтений по люминесценции, москва, 12 апреля 2023 г.)
  • URL: https://bakhtiniada.ru/0368-7147/article/view/255474
  • ID: 255474

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Переход от однородных материалов к материалам, структурированным на масштабах меньше длины волны излучения, позволяет управлять взаимодействием света с веществом за счет возбуждения и перестройки различных оптических мод структуры. Описываются новые явления и эффекты, возникающие при взаимодействии света с наноструктурированными магнитными материалами. Наноструктурирование играет важную роль как для магнитооптики (воздействие намагниченности материала на световую волну), приводя к значительному усилению магнитооптических эффектов и даже к появлению новых эффектов, так и для оптомагнетизма (воздействие лазерных импульсов на намагниченность), открывая возможность для трехмерной магнитной записи и возбуждения обменных спиновых волн. Если масштаб структуры становится порядка десятков и даже единиц нанометров, то начинают проявляться квантовые свойства, которые перспективны для использования магнитных наноструктур для квантовых технологий.

About the authors

Д. О. Игнатьева

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова; Крымский федеральный университет им. В.И.Вернадского; Российский квантовый центр

Author for correspondence.
Email: belotelovvi@gmail.com
Russian Federation, Москва, Ленинские горы, 119991; Симферополь, просп. Акад. Вернадского, 4, 295007; Москва, Большой бульвар, д. 30, 121353

А. В. Присяжнюк

Крымский федеральный университет им. В.И.Вернадского

Email: belotelovvi@gmail.com
Симферополь, просп. Акад. Вернадского, 4, 295007

Д. М. Кричевский

Российский квантовый центр; Московский физико-технический институт (государственный университет)

Email: belotelovvi@gmail.com
Russian Federation, Москва, Большой бульвар, д. 30, 121353; Московская обл., Долгопрудный, Институтский пер., 9, 141700

В. И. Белотелов

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова; Крымский федеральный университет им. В.И.Вернадского; Российский квантовый центр

Email: belotelovvi@gmail.com
Russian Federation, Москва, Ленинские горы, 119991; Симферополь, просп. Акад. Вернадского, 4, 295007; Москва, Большой бульвар, д. 30, 121353

References

  1. Kimel A., Zvezdin A., Sharma S., Shallcross S., De Sousa N., García-Martín A., Vavassori P. J. Phys. D: Appl. Phys., 55 (46), 463003 (2022).
  2. Ignatyeva D.O., Krichevsky D.M., Belotelov V.I., Royer F., Dash S., Levy M. J. Appl. Phys., 132 (10), 100902 (2022).
  3. Qin J., Xia S., Yang W., Wang H., Yan W., Yang Y., Bi L., Nanophotonics, 11 (11), 2639 (2022).
  4. Barsukova M.G., Shorokhov A.S., Musorin A.I., Neshev D.N., Kivshar Y.S., Fedyanin A.A. ACS Photonics, 4, 2390 (2017).
  5. Xia S., Ignatyeva D.O., Liu Q., Wang H., Yang W., Qin J., Chen Y., Duan H., Luo Y., Novák O., Veis M., Deng L., Belotelov V.I., Bi L. Laser Photonics Rev., 16 (8), 2200067 (2022).
  6. De Sousa N., Froufe-Pérez L.S., Saénz J.J., Garciá-Martín A. Sci. Rep., 6, 1 (2016).
  7. Zouros G.P., Tsakmakidis K.L., Kolezas G.D., Almpanis E., Baskourelos K., Stefański T.P. Nanophotonics, 9, 4033 (2020).
  8. Barsukova M.G., Musorin A.I., Shorokhov A.S., Fedyanin A.A. APL Photonics, 4, 016102 (2019).
  9. Musorin A.I., Barsukova M.G., Shorokhov A.S., Luk’yanchuk B.S., Fedyanin A.A. J. Magn. Magn. Mater., 459, 165 (2018).
  10. Abendroth J.M., Solomon M.L., Barton D.R., El Hadri M.S., Fullerton E.E., Dionne J.A. Adv. Opt. Mater., 8, 1 (2020).
  11. Christofi A., Kawaguchi Y., Alù A., Khanikaev A.B. Opt. Lett., 43, 1838 (2018).
  12. Xia S., Ignatyeva D.O., Liu Q., Qin J., Kang T., Yang W., Chen Y., Duan H., Deng L., Long D., Veis M., Belotelov V.I., Bi L. ACS Photonics, 9 (4), 1240 (2022).
  13. Yang W., Liu Q., Wang H., Chen Y., Yang R., Xia S., Luo Y., Deng L., Qin J., Duan H., Bi L. Nat. Commun., 13, 1719 (2022).
  14. Belotelov V.I., Kalish A.N., Zvezdin A.K., Gopal A.V., Vengurlekar A.S. JOSA B, 29, 294 (2012).
  15. Belotelov V.I., Doskolovich L.L., Zvezdin A.K. Phys. Rev. Lett., 98 (7), 077401 (2007).
  16. Krichevsky D.M., Kalish A.N., Kozhaev M.A., Sylgacheva D.A., Kuzmichev A.N., Dagesyan S.A., Achanta V.G., Popova E., Keller N., Belotelov V.I. Phys. Rev. B, 102 (14), 144408 (2020).
  17. Gamet E., Varghese B., Verrier I., Royer F. J. Phys. D: Appl. Phys., 50, 495105 (2017).
  18. Royer F., Varghese B., Gamet E., Neveu S., Jourlin Y., Jamon D. ACS Omega, 5, 2886 (2020).
  19. Bsawmaii L., Gamet E., Royer F., Neveu S., Jamon D. Opt. Express, 28, 8436 (2020).
  20. Воронов A.A., Игнатьева Д.O., Карки Д., Кожаев M.A., Калиш A.Н., Леви M., Белотелов В.И. Письма в ЖЭТФ, 112 (11), 759 (2020) [JETP Lett., 112, 720 (2020)].
  21. Zimnyakova P.E., Ignatyeva D.O., Karki D., Voronov A.A., Shaposhnikov A.N., Berzhansky V.N., Belotelov V.I. Nanophotonics, 11 (1), 119 (2021).
  22. Belotelov V.I., Kreilkamp L.E., Kalish A.N., Akimov I.A., Bykov D.A., Kasture S., Yallapragada V.J., Gopal A.V., Grishin A.M., Khartsev S.I., Nur-E-Alam M., Vasiliev M., Doskolovich L.L., Yakovlev D.R., Alameh K., Zvezdin A.K., Bayer M. Phys. Rev. B, 89, 045118 (2014).
  23. Khramova A.E., Ignatyeva D.O., Kozhaev M.A., Dagesyan S.A., Berzhansky V.N., Shaposhnikov A.N., Belotelov V.I. Opt. Express, 27 (23), 33170 (2019).
  24. Belotelov V.I., Bykov D.A., Doskolovich L.L., Kalish A.N., Kotov V.A., Zvezdin A.K. Opt. Lett., 34, 398 (2009).
  25. Voronov A.A., Karki D., Ignatyeva D.O., Kozhaev M.A., Levy M., Belotelov V.I. Opt. Express, 28, 17988 (2020).
  26. Bsawmaii L., Gamet E., Neveu S., Jamon D., Royer F. Opt. Mater.Express, 12, 513 (2022).
  27. Krichevsky D.M., Xia S., Mandrik M.P., Ignatyeva D.O., Bi L., Belotelov V.I. Nanomaterials, 11 (11), 2926 (2021).
  28. Borovkova O.V., Hashim H., Ignatyeva D.O., Kozhaev M.A., Kalish A.N., Dagesyan S.A., Belotelov V.I. Phys. Rev. B, 102 (8), 081405 (2020).
  29. Ignatyeva D.O., Karki D., Voronov A.A., Kozhaev M.A., Krichevsky D.M., Chernov A.I., Levy M., Belotelov V.I. Nat. Commun., 11, 5487 (2020).
  30. Chernov A.I., Kozhaev M.A., Ignatyeva D.O., Beginin E.N., Sadovnikov A.V., Voronov A.A., Karki D., Levy M., Belotelov V.I. Nano Lett., 20, 5259 (2020).
  31. Kirilyuk A., Kimel A.V., Rasing T. Rev. Mod. Phys., 82 (3), 2731 (2010).
  32. Krichevsky D.M., Ignatyeva D.O., Ozerov V.A., Belotelov V.I. Phys. Rev. Appl., 15, 034085 (2021).
  33. Belotelov V.I., Zvezdin A.K. Phys. Rev. B, 86, 155133 (2012).
  34. Kolodny S., Yudin D., Iorsh I. Nanoscale, 11, 2003 (2019).
  35. Chekhov A.L., Stognij A.I., Satoh T., Murzina T.V., Razdolski I., Stupakiewicz A. Nano Lett., 18, 2970 (2018).
  36. Zimnyakova P.E., Ignatyeva D.O., Kalish A.N., Han X., Belotelov V.I. Opt. Lett., 47 (23), 6049 (2022).
  37. Inoue M., Arai K., Fujii T., Abe M. J. Appl. Phys., 85, 5768 (1999).
  38. Steel M.J., Levy M., Osgood R.M. IEEE Photonics Technol. Lett., 12, 1171 (2000).
  39. Inoue M., Levy M., Baryshev A.V. Magnetophotonics: From Theory to Applications (Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2013).
  40. Goto T., Baryshev A.V., Inoue M., Dorofeenko A.V., Merzlikin A.M., Vinogradov A.P., Granovsky A.B. Phys. Rev. B, 79 (12), 125103 (2009).
  41. Goto T., Dorofeenko A.V., Merzlikin A.M., Baryshev A.V., Vinogradov A.P., Inoue M., Granovsky A.B. Phys. Rev. Lett., 101 (11), 113902 (2008).
  42. Ignatyeva D.O., Golovko P.V., Belotelov V.I. Magnetochemistry, 9 (2), 54 (2023).
  43. Ignatyeva D.O., Belotelov V.I. Opt. Lett., 45 (23), 6422 (2020).
  44. Golovko P.V., Ignatyeva D.O., Kalish A.N., Belotelov V.I. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys., 85, 25 (2021).
  45. Kozhaev M.A., Chernov A.I., Sylgacheva D.A., Belotelov V.I. Sci. Rep., 8, 11435 (2018).
  46. Vasiliev M., Nur-E-Alam M., Kotov V.A., Alameh K., Belotelov V.I., Burkov V.I., Zvezdin A.K. Opt. Express, 17, 19519 (2009).
  47. Sylgacheva D.A., Khokhlov N.E., Gerevenkov P.I., Belotelov V.I. Nanophotonics, 11 (13), 3169 (2022).
  48. Gurevich A.G., Melkov G.A. Magnetization Oscillation and Waves (CRC press, 1996).
  49. Ozerov V.A., et al. J. Magn. Magn. Mater., 543, 168167 (2022).
  50. Krichevsky D.M., et al. arXiv preprint arXiv:2310.01984 (2023).
  51. Shayegan K.J., Zhao B., Kim Y., Fan S., Atwater H.A. Sci. Adv., 8, eabm4308 (2022).
  52. Rizal C., Manera M.G., Ignatyeva D.O., Mejía-Salazar J.R., Rella R., Belotelov V.I., Maccaferri N. J. Appl. Phys., 130 (23), 230901 (2021).
  53. Homola J., Piliarik M. Surface plasmon resonance (SPR) sensors (Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2006, pp 45-67).
  54. Ignatyeva D.O., Knyazev G.A., Kapralov P.O., Dietler G., Sekatskii S.K., Belotelov V.I. Sci. Rep., 6 (1), 28077 (2016).
  55. Игнатьева Д.O., Капралов П.O., Князев Г.A., Секацкий С.К., Дитлер Дж., Нюр-E-Алам M., Васильев М., Аламек К., Белотелов В.И. Письма в ЖЭТФ, 104 (10), 689 (2016) [JETP Lett., 104, 679 (2016)].
  56. Borovkova O.V., Ignatyeva D.O., Sekatskii S.K., Karabchevsky A., Belotelov V.I. Photonics Research, 8 (1), 57 (2020).
  57. Ignatyeva D.O., Knyazev G.A., Kalish A.N., Chernov A.I., Belotelov V.I. J. Phys. D: Appl. Phys., 54 (29), 295001 (2021).
  58. Belyaev V.K., Rodionova V.V., Grunin A.A., Inoue M., Fedyanin A.A. Sci. Rep., 10 (1), 7133 (2020).
  59. Ignatyeva D.O., Belotelov V.I. Nanomaterials, 12 (23), 4180 (2022).
  60. Dutta A., Kildishev A.V., Shalaev V.M., Boltasseva A., Marinero E.E. Opt. Mater. Express, 7 (12), 4316 (2017).
  61. Chu A.H., Beauchamp B., Shah D., Boltasseva A., Shalaev V.M., Marinero E.E. Opt. Mater. Express, 10 (12), 3107 (2020).
  62. Ignatyeva D.O., Davies C.S., Sylgacheva D.A., Tsukamoto A., Yoshikawa H., Kapralov P.O., Kirilyuk A., Belotelov V.I., Kimel A.V. Nat. Commun., 10 (1), 4786 (2019).
  63. Borovkova O.V., Ignatyeva D.O., Belotelov V.I. Sci. Rep., 11 (1), 2239 (2021).
  64. Krichevsky D.M., Gusev N.A., Ignatyeva D.O., Prisyazhnyuk A.V., Semuk E.Yu., Polulyakh S.N., Berzhansky V.N., Zvezdin A.K., Belotelov V.I. Phys. Rev. B, (2023) (in print).
  65. Clark A.E., Callen E. J. Appl. Phys., 39, 5972 (1968).
  66. Davydova M.D., Zvezdin K.A., Kimel A.V., Zvezdin A.K. J. Phys. Condens. Matter, 32, 01LT01 (2020).
  67. Davydova M.D., Zvezdin K.A., Becker J., Kimel A.V., Zvezdin A.K. Phys. Rev. B, 100, 064409 (2019).
  68. Sabdenov Ch.K., Davydova M.D., Zvezdin K.A., Zvezdin A.K. Low Temp. Phys., 43, 551 (2017).
  69. Zvezdin A.K., Popkov A.F. Solid State Phys., 16, 1082 (1974).
  70. Parchenko S., Satoh T., Yoshimine I., Stupakiewicz A. Appl. Phys. Lett., 108, 1 (2016).
  71. Parchenko S., Stupakiewicz A., Yoshimine I., Satoh T., Maziewski A. Appl. Phys. Lett., 103, 1 (2013).
  72. Reid A.H.M., Kimel A.V., Kirilyuk A., Gregg J.F., Rasing Th. Phys. Rev. Lett., 105, 107402 (2010).
  73. Deb M., Molho P., Barbara B., Bigot J.Y. Phys. Rev. B, 97, 1 (2018).
  74. Deb M., Molho P., Barbara B., Bigot J.Y. Phys. Rev. B, 94, 1 (2016).
  75. Kaplan J., Kittel C. J. Chem. Phys., 21, 760 (1953).
  76. Kittel C. Phys. Rev., 73, 155 (1948).
  77. Deb M., Molho P., Barbara B. Phys. Rev. B, 105, 014432 (2022).
  78. Sahoo R., Wollmann L., Selle S., Nayak A.K. Adv. Mater., 28, 8499 (2016).
  79. Kumar V., Kumar N., Reehuis M., Felser C. Phys. Rev. B, 101, 014424 (2020).
  80. Choi W.-Y., Yoo W., Jung M.-H. NPG Asia Mater., 13, 79 (2021).
  81. Hirata Y., Kim D.-H., Kim S.K., Ono T. Nat. Nanotechnol., 14, 232 (2019).
  82. Céspedes-Berrocal D., Damas H., Petit-Watelot S., Rojas-Sanchez J.-C. Adv. Mater., 33, 2007047 (2021).
  83. Белотелов В.И., Озеров В.А., Звездин А.К. Письма в ЖЭТФ (2023) (на рассмотрении).
  84. Levy M., Borovkova O.V., Sheidler C., Blasiola B., Karki D., Jomard F., Kozhaev M.A., Popova E., Keller N., Belotelov V.I. Optica, 6 (5), 642 (2019).
  85. Звездин А.К., Мухин А.А. Краткие сообщения по физике, № 12, 10 (1981).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig.1. Magneto-optics of Mie resonances: scattering spectra of a spherical silicon particle in free space [2] (a), spectrum of transmission and magneto-optical response (intensity modulation) in a metasurface based on a-Si:H, coated with a 5 nm thick layer of Ni [4] (b) , TMOKE in s-polarized light and the polar Kerr effect in a metasurface based on a lattice of Si nanodisks on the CeYIG/YIG surface [5] (c).

Download (585KB)
Indexing metadata
3. Fig.2. Magneto-optics and optomagnetism of nanophotonic lattices: enhancement of the Faraday effect in a magnetoplasmonic two-dimensional lattice [16] (a), enhancement of EEC in a fully dielectric two-dimensional ferrite garnet lattice [29] (b), excitation of standing spin waves in a dielectric one-dimensional garnet lattice due to excitation of waveguides mod [30] (c).

Download (2MB)
Indexing metadata
4. Fig.3. BEF in the MFC: enhancement of the Faraday effect in the MFC [41] (a), giant enhancement of the BEF on the microcavity mode of the MFC [45] (b), selective excitation of spin dynamics in different layers of the MFC [47] (c).

Download (2MB)
Indexing metadata
5. Fig.4. Applications of magnetophotonic nanostructures: sensor of chemical substances (refractive index) [54] (a), magnetic field sensor [57] (b), thickness-selective switching of magnetization in a magnetoplasmonic structure based on GdFeCo and Si3N4 layers [62] (c).

Download (2MB)
Indexing metadata
6. Fig.5. Phase diagram of a ferrimagnet with a compensation point in an external magnetic field perpendicular to the easy axis (a), schematic diagram of pump-probe for a [111] film with an anisotropy of the “easy axis” type (b), spin dynamics excited in a sample by femtosecond laser pulses and observed by the Faraday effect for the probing beam (c). A second-order phase transition occurs at 2.8 kOe and is accompanied by a decrease in the frequency and an increase in the amplitude of spin precession.

Download (754KB)
Indexing metadata
7. Fig.6. Diagram of a sample magnetic quantum dot and magnetic fields (a), as well as energy levels of a qubit based on a ferrite garnet magnetic quantum dot with a compensation point (b). The following system parameters were used in the calculation: H = 1000 Oe, hx = 100 Oe, uniaxial magnetic anisotropy constant Ku = 5000 erg/cm3, exchange field 6 ME, magnetic quantum dot has a diameter of 15 nm and a thickness of 1.2 nm.

Download (317KB)
Indexing metadata

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».