Терагерцовая фононика антиферромагнетиков

Современная эпоха характеризуется стремительным ростом объема создаваемой информации в результате бурного развития искусственного интеллекта, интернета вещей и больших данных, которую необходимо обрабатывать и хранить. В настоящее время большая часть информации все еще хранится на магнитных носителях. Таким образом, поиск новых быстрых и энергоэффективных методов магнитной записи и считывания информации является важной научной проблемой современного магнетизма. Для ее решения предлагается использовать антиферромагнетики, которые обладают рядом преимуществ перед традиционно используемыми ферромагнетиками. В первую очередь это более высокие частоты магнитной динамики, лежащие в антиферромагнетиках в субтерагерцовой и терагерцовой области частот, что дает возможность создания на порядок более быстродействующих устройств. Стоит отметить, что в этом же интервале расположены и частоты оптических фононов, что открывает принципиальную возможность управления спинами через кристаллическую решетку и наоборот, через спин-фононное взаимодействие. Таким образом, проект направлен на исследование особенностей динамики решетки кристаллов антиферромагнитных диэлектриков с целью поиска и исследования взаимодействия как между фононами, так и между фононами и спинами, что имеет ключевое значение для современной физики конденсированного состояния. Нелинейная терагерцовая фононика является областью физики конденсированного состояния, которая изучает механизмы когерентного взаимодействия между раман-активными и полярными оптическими фононами под действием терагерцового импульса. Некоторые из этих механизмов были только теоретически предсказаны и еще не были обнаружены экспериментально. К таким механизмам относится Infrared resonant Raman effect, при котором возбуждение раман-активного фонона происходит через совместное действие полярного фонона, накачанного терагерцовым импульсом, и электрического поля этого терагерцового импульса. Другим таким механизмом является Sum-frequency ionic Raman effect, при котором возбуждение раман-активного фонона происходит под воздействием терагерцового импульса через полярный фонон с частотой, равной половине частоты раман-активного фонона. Одной из целей проекта является экспериментальная демонстрация и исследование этих двух механизмов на примере антиферромагнитного ромбического фтороперовскита NaMnF3. Интерес к этому материалу обусловлен тем, что в нем частоты полярного и раман-активного фононов отличаются приблизительно в 2 раза и перекрываются со спектром терагерцового импульса, при этом частота мягкого полярного фонона обладает сильной зависимостью от температуры. Таким образом, существует возможность возбуждения раман-активного фонона при терагерцовой накачке полярного фонона. Кроме того, предполагается что эффективность этого возбуждения будет довольно сильно зависеть от температуры, и при температуре совпадения частоты раман-активного фонона с удвоенной частотой полярного фонона будет максимальной благодаря Sum-frequency ionic Raman effect. В свою очередь антиферромагнитное упорядочение позволит более эффективно детектировать индуцированную динамику через магнитооптические эффекты. Одним из модельных материалов нелинейной терагерцовой фононики и магнитофононики является антиферромагнитный пьезомагнетик CoF2. Несмотря на то, что этот кристалл известен уже давно, динамика его полярных фононов подробно изучена только при нескольких температурах. Кроме того, интерес к этому материалу обусловлен наличием в нем спин-орбитальных экситонов, лежащих в том же интервале частот, что и фононы, а также сильной спин-решеточной связью и аномальным поглощением излучения на частоте раман-активного фонона. Таким образом, второй научной задачей проекта станет детальное изучение динамики полярных фононов в антиферромагнетике CoF2 в широком интервале температур от гелия до комнаты, включающем температуру антиферромагнитного упорядочения. Еще одним интересным классом материалов, обладающим множеством любопытных магнитных свойств, особенно в области сверхбыстрого магнетизма, являются редкоземельные ортоферриты. Несмотря на уникальность редкоземельных ортоферритов экспериментальные данные по динамике полярных фононов либо отсутствуют полностью, либо выполнены на поликристаллах, что не дает возможности использовать правила отбора по поляризациям. В рамках проекта будет выполнено исследование динамики решетки монокристалла редкоземельного ортоферрита TbFeO3, что необходимой для его дальнейшего применения в нелинейной терагерцовой магнитофононике.