Магнитооптика и генерация магнитоиндуцированной второй гармоники

Описание направления

Магнитооптика - раздел оптики, изучающий широкий класс эффектов влияния статической намагниченности на параметры отраженного или прошедшего через структуру света. В зависимости от геометрии эксперимента (взаимной ориентации структуры, направления внешнего магнитного поля и волнового вектора света) магнитооптические эффекты могут проявляться как модуляция интенсивности или вращение плоскости поляризации оптического излучения.

Известно, что при воздействии мощного лазерного излучения на нелинейные кристаллы, а также, на поверхностях и границах раздела сред может наблюдаться генерация света на удвоенной частоте накачки - генерация второй гармоники. В случае магнитных сред параметры такого отклика (магнитоиндуцированной второй гармоники) также могут зависеть от ориентации и величины намагниченности материала.

Величины магнитооптических эффектов при генерации второй гармоники, как правило, на 1–2 порядка по величине превышают их линейные аналоги. При этом если источником линейного магнитооптического отклика служит «объем» магнитной среды на глубине проникновения света, то генерация магнитоиндуцированной второй гармоники происходит преимущественно на поверхности и границах раздела. Таким образом, комбинируя линейные и нелинейные магнитооптические методы, можно подробно исследовать магнитные свойства сред на микро- и макроуровне - визуализировать домены, изучить распределение магнитных моментов и магнитное упорядочение, определить направления осей легкого намагничивания, свойств наноструктур и скрытых интерфейсов.

Взаимодействие лазерного излучения с магнитными средами является активно развивающейся областью исследований, что связано с прогрессом современных технологий изготовления структур с принципиально новыми магнитными и оптическими свойствами, реализация которых в естественных материалах невозможна. С другой стороны, в нанофотонике актуальна задача разработки методов эффективного управления параметрами света, в том числе, с помощью приложения магнитного поля - в этом ключе важен поиск методов усиления магнитооптических эффектов, например, при возбуждении в магнитной структуре резонансов различной природы.

Фокус исследований в лаборатории

Основной вектор исследований в нашей лаборатории направлен на изучение магнитных и магнитооптических свойств структур различного дизайна с неоднородным распределением намагниченности - микроструктур с магнитными вихрями, многослойных магнитных нанопленок, ферромагнитных метаповерхностей и др. Важным направлением также остается исследование композитных магнитных материалов, которые сочетают в себе свойства ферромагнетика с плазмонными эффектами или режимом гиперболической дисперсии. Работы проводятся на экспериментальных установках собственной сборки с разработанным в лаборатории программным обеспечением, что позволяет адаптировать исследования под конкретные объекты и научные задачи.

Ключевые достижения

К настоящему моменту в рамках данного направления получены следующие ключевые результаты:

1. Экспериментально показано, что в композитных наноструктурах из ферромагнитного и благородного металлов возбуждение локальных поверхностных плазмонов, решеточных плазмонных резонансов и бегущих плазмон-поляритонов приводит к усилению магнитооптического и магнитного нелинейно-оптического отклика.
2. В композитных гиперболических метаматериалах реализуется усиление магнитооптических эффектов в спектральной окрестности области, где действительная часть эффективной компоненты диэлектрической проницаемости близка к нулю (epsilon-near-zero, ENZ).
3. Предложен нелинейно-оптический метод детектирования макроскопического тороидного момента намагниченности в микроструктурах с магнитными вихрями.
4. Показано, что метод микроскопии второй гармоники позволяет визуализировать поверхностные домены в пленках ферромагнитного диэлектрика феррит-граната.

Текущие задачи и перспективы

Текущие задачи направления включают в себя:

1. Поиск методов фиксации (пиннинга) стенок полосовых и цилиндрических магнитных доменов в феррит-гранате путем нанесения магнитной решетки на его поверхность.
2. Разработка методик магнито-управления коэффициентом пропускания в ENZ метаматериале на основе золотых наностержней в диэлектрической матрице и никелевой пленки.

Темы курсовых и дипломных работ

Студентам, заинтересованным в научной работе, предлагаются следующие задачи:

1. Пиннинг магнитной доменной структуры в пленках граната с магнитной метаповерхностью
2. Магнитооптические эффекты в пленках феррит-граната с магнитной решеткой на его поверхности