Многослойные магнитные наноструктуры для селективного по толщине управления волноводными модами и сверхбыстрого оптического возбуждения спиновой динамики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Сылгачева Дарья Анатольевна

• Сылгачева Дарья Анатольевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Сылгачева Дарья Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1......ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В

МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОСТРУКТУРАХ

1.1 Методы исследования

1.1.1 Магнитооптические эффекты

1.1.2 Оптические методы управления намагниченностью

1.2 Объекты исследования

1.2.1 Магнитный фотонный кристалл

1.2.2 Волноводные моды

1.2.3 Плазмонные структуры

1.2.4 Металлические структуры

ГЛАВА 2...............ВОЛНОВОДНЫЕ МОДЫ В МАГНИТНЫХ ФОТОННЫХ

КРИСТАЛЛАХ

2.1 Дисперсионное уравнение

2.2 Спектр волноводных мод фотонного кристалла

2.3 Магнитооптические свойства волноводных мод фотонного кристалла, содержащего магнитные слои

2.4 Экспериментальное исследование магнитооптических свойств фотонного кристалла, обусловленных возбуждением волноводных мод

2.4.1 Экспериментальная установка для измерения оптических и магнитооптических характеристик

2.4.2 Методика измерений магнитооптических эффектов

2.4.3 Исследуемые образцы магнитных фотонных кристаллов с плазмонным покрытием

2.5 Особенности экваториального эффекта Керра

ГЛАВА 3. ОБРАТНЫЙ ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ В МАГНИТНЫХ ФОТОННЫХ

КРИСТАЛЛАХ

3.1 Исследуемый образец магнитного фотонного кристалла

3.2 Экспериментальная установка для измерения сверхбыстрой динамики намагниченности

3.3 Пространственно-селективное возбуждение спиновой динамики в магнитофотонных кристаллах спектрально перестраиваемыми ультракороткими лазерными импульсами

3.4 Коэффициент усиления обратного эффекта Фарадея

ГЛАВА 4......ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ЗАВИСИМОЕ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ

МНОГОСЛОЙНОЙ МЕТАЛЛО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ОДИНОЧНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

4.1 Экспериментальная установка для измерения полярного магнитооптического эффекта Керра

4.2 Исследуемый образец многослойной металло-диэлектрической структуры

4.3 Методика измерений

4.4 Характерная петля гистерезиса

4.5 Селективное перемагничивание многослойной металло-диэлектрической структуры фемтосекундными одиночными лазерными импульсами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многослойные магнитные наноструктуры для селективного по толщине управления волноводными модами и сверхбыстрого оптического возбуждения спиновой динамики»

Введение

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию магнитооптических и оптомагнитных свойств многослойных наноструктур. В работе исследуются 2 типа структур: структура, состоящая из двух слоев ферримагнетика, на немагнитной подложке и магнитные фотонные кристаллы.

В настоящее время современные достижения науки и технологии привели к возможности создания новых функциональных магнитных структур разного дизайна с характерными размерами порядка нескольких десятков нанометров, которые обладают модифицированными или принципиально новыми магнитными и оптическими свойствами. Фундаментальная значимость многослойных наноструктур связана не только с их особыми оптическими свойствами, но также и с развитием новых теоретических подходов и методов их электромагнитного описания. Создание магнитных структур с параметрами нанометровых масштабов дает возможность исследовать такие эффекты, как индуцированная намагниченность, полностью оптическое переключение намагниченности, гигантское магнитосопротивление, магнитооптические эффекты и многие другие. Они находят применение в перспективных устройствах спинтроники, которая является разделом квантовой электроники, изучающей спиновый токоперенос (спин-поляризованный транспорт) в твердотельных веществах, в частности, в гетероструктурах ферромагнетик-парамагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.

Одним из способов расширения применения современных и будущих технологий является сочетание сверхбыстрого магнетизма и нанофотоники, что открывает новые возможности для обработки информации в интегральных наносхемах, таких как увеличение эффективности солнечных элементов, повышение существующего предела чувствительности био- и хемосенсоров. Ключевым объектом изучения ветви нанофотоники - плазмоники - являются плазмон-поляритоны - электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль

границы раздела сред металл/диэлектрик. Проникновение поверхностных плазмон-поляритонов в толщу среды происходит на масштабах, меньших длины волны излучения, благодаря чему увеличивается эффективность взаимодействия света со средой, приводя к новым эффектам. Такая особенность плазмонных структур применяется для магнитного управления свойствами оптического излучения.

Оптические моды магнитных наноструктур модифицируются при перемагничивании магнетика. Если перемагничивается только некоторая область материала, то при этом возбуждаются волны намагниченности - спиновые волны. Хотя представление о спиновых волнах было введено Ф. Блохом ещё в 1930 г., а их экспериментальные и теоретические исследования проводились в 50-е годы прошлого века, сейчас они вновь оказались в центре повышенного внимания. Это связано с тем, что спиновые волны очень перспективны для создания нового поколения устройств хранения и обработки информации и даже могут привести к прорыву в квантовых вычислениях.

В конце прошлого века было продемонстрировано, что короткие лазерные импульсы могут локально менять намагниченность среды и даже запускать спиновые волны. Получается, что свет и магнетизм, или, иначе говоря, фотоны, плазмоны и магноны могут взаимно влиять друг на друга. Это уже приводит и, безусловно, еще приведет к новым приложениям в области телекоммуникаций, информатики и сенсорики. Например, объединение плазмоники и магноники может позволить создать сверхчувствительные сенсоры магнитного поля, биосенсоры, а также эффективную систему адресации и управления квантовыми битами.

Актуальность работы обусловлена, прежде всего фундаментальным и прикладным интересом к усилению магнитооптических эффектов и управлению состоянием намагниченности многослойных магнитных наноструктур в пико- и фемтосекундных масштабах времени. Теоретические исследования многослойных наноструктур с неоднородным распределением намагниченности в магнитных слоях еще не проведены в полной мере, и нет полной системы представлений о явлениях на столь коротких временных интервалах. Использование многослойных

магнитных наноструктур даст возможность для селективного возбуждения намагниченности с послойным разрешением и выборочного по толщине управления оптическими волноводными модами. Это открывает новые перспективы для оптической записи информации, а также для квантовых технологий. Значимость темы также объясняется большим интересом к исследованию волноводного распространения излучения вдоль слоев магнитного фотонного кристалла. Это становится возможным благодаря возбуждению волноводных мод ФК, локализованных в слоях с большим показателем преломления. В случае волноводных мод уединенной магнитной пленки поперечная намагниченность изменяет дисперсию мод линейно по намагниченности. Следует ожидать аналогичного воздействия поперечной намагниченности и на волноводные моды, локализованные в ФК с магнитными слоями. Однако, из-за эффекта взаимодействия мод ФК между собой возможны некоторые особенности по сравнению с модами уединенной пленки. Ранее этот вопрос не исследовался.

Цель диссертационной работы состоит в экспериментальном и теоретическом изучении магнитооптических и оптомагнитных эффектов в многослойных магнитных наноструктурах.

В рамках поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Расширить теорию дисперсии волноводных мод в одномерных магнитных фотонных кристаллах с учетом поперечной намагниченности слоев.

2. Сопоставить дисперсионные кривые волноводных мод исследуемых структур магнитных фотонных кристаллов со спектрами отражения и магнитооптических эффектов, полученных методом численного моделирования связанных волн в пространстве Фурье.

3. Экспериментально исследовать влияние поперечной намагниченности слоев фотонных кристаллов на дисперсию волноводных мод и на спектры коэффициента оптического отражения.

4. Исследовать обратный эффект Фарадея и индуцированную им динамику намагниченности в магнитных фотонных кристаллах с нанорезонаторным магнитным слоем при оптической накачке, спектрально расположенной на границе и внутри запрещенной зоны.

5. Исследовать перемагничивание многослойной металло-диэлектрической структуры с ферримагнитными металлическими нанослоями одиночными фемтосекундными лазерными импульсами при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые развита теория дисперсии волноводных мод слоистых диэлектрических структур для магнитных фотонных кристаллов с поперечной намагниченностью.

2. Впервые показано, что при распространении волноводных ТМ-мод магнитных фотонных кристаллов в направлении, перпендикулярном намагниченности слоев, возникает эффект магнитооптической невзаимности, проявляющийся в зависимости дисперсии ТМ-мод от направления распространения. Эффект невзаимности изучен как теоретически, так и экспериментально.

3. Впервые экспериментально и теоретически изучено возбуждение динамики намагниченности фемтосекундными лазерными импульсами в структуре, образованной двумя магнитными брэгговскими зеркалами и магнитным диэлектриком, расположенным между ними. Показано, что амплитуда возбужденной прецессии намагниченности резонансно зависит от длины волны накачки.

4. Впервые экспериментально продемонстрировано послойное управление намагниченностью многослойной металло-диэлектрической структуры фемтосекундным одиночным лазерным импульсом за счет возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов в конфигурации Кречмана. При этом выбор

между перемагничиваемыми слоями определяется поляризацией лазерного импульса.

Практическая значимость диссертационной работы.

Исследуемые явления и многослойные магнитные структуры, имеющие наноразмерные слои, могут быть применены для создания новых типов устройств оптической записи, обработки и хранения информации, требующих сверхбыстрого управления намагниченностью или локализацию оптической энергии световой волны. Кроме того, магнитные фотонные кристаллы могут быть использованы для создания устройств, применяемых в оптических телекоммуникационных технологиях: оптические изоляторы, магнитооптические модуляторы интенсивности света, магнитоооптиеские проекторы, цветная электронная бумага. Также магнитный фотонный кристалл с плазмонным покрытием может использоваться для создания оптических сенсоров, плазмонных молекулярных биосенсоров и прочее.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При распространении волноводных ТМ-мод магнитных фотонных кристаллов в направлении, перпендикулярном намагниченности слоев, возникает эффект магнитооптической невзаимности. Величина эффекта определяется относительным изменением волнового числа моды при перемагничивании структуры и для магнитных фотонных кристаллов на базе висмут-замещенных пленок феррита-граната составляет порядка десятой доли процента.

2. При возбуждении волноводных мод в магнитных фотонных кристаллах, покрытых плазмонной решеткой, возникает магнитооптический экваториальный эффект Керра, который для магнитных фотонных кристаллов на базе висмут-замещенных пленок феррита-граната изменяет коэффициент отражения на несколько процентов.

3. Относительная эффективность возбуждения прецессии намагниченности в магнитном нанорезонаторном слое по отношению к магнитным слоям брэгговского зеркала магнитных фотонных кристаллов изменяется на порядок

величины при перестройке длины волны оптической накачки от нанорезонаторной моды к длинноволновому краю фотонной запрещенной зоны.

4. В многослойной металло-диэлектрической структуре с ферримагнитными металлическими нанослоями одиночное воздействие ТЕ- или ТМ -поляризованного фемтосекундного лазерного импульса с плотностью оптической энергии выше пороговой приводит к перемагничиванию одного ферримагнитного слоя за счет перераспределения оптического поля в структуре. При этом выбор между перемагничиваемыми слоями определяется поляризацией лазерного импульса. Данный эффект позволяет при записи информации достичь пространственного разрешения по глубине на уровне нескольких десятков нанометров.

Достоверность результатов обеспечивается хорошим согласием численных расчетов и экспериментальных данных. Проведение экспериментов выполнялось многократно, а результаты воспроизводились и повторялись. Также достоверность обуславливается адекватностью выбранных и применяемых физических моделей, математических методов, необходимых для решения поставленных задач, и корректностью использованных приближений. Результаты, представленные в диссертации, неоднократно представлялись на международных конференциях и были опубликованы в международных рецензируемых журналах.

Личный вклад автора

Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его ключевом участии: проведена модификация, юстировка и настройка экспериментальных установок, проведены экспериментальные измерения, получены и проанализированы результаты, разработана теория для численных вычислений, проведены численные моделирования и выполнены их сравнения с результатами экспериментов. Измерения были проведены в лаборатории магнитоплазмоники и сверхбыстрого магнетизма Российского квантового центра, г. Москва и в лаборатории физики ферроиков Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург, а также в лаборатории отделения

сверхбыстрой спектроскопии коррелированных материалов университета Радбауд, г. Наймеген, Нидерланды.

Структура, объем и содержание работы

Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение и список цитируемой литературы. Общий объем работы состоит из 135 страниц, в том числе 182 библиографических ссылки. Диссертация содержит 46 рисунков, размещенных в главах.

Основная часть работы имеет следующую структуру.

В ГЛАВЕ 1 представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных общим принципам управления светом с помощью магнитного поля в фотонных кристаллах и плазмонных структурах. Описан процесса возбуждения сверхбыстрой динамики намагниченности структур фемтосекундными лазерными импульсами.

В ГЛАВЕ 2 представлено теоретическое исследование влияния магнитного поля на закон дисперсии волноводных мод одномерного фотонного кристалла, содержащего ферромагнитные слои, и экспериментально продемонстрированы особенности спектров коэффициента отражения и экваториального эффекта Керра, связанные с возбуждением волноводных мод.

В ГЛАВЕ 3 представлено исследование оптического воздействия на спины магнитных слоёв одномерного фотонного кристалла на экспериментальной установке методом "накачка-зондирование", а также продемонстрировано селективное возбуждение прецессии намагниченности в МФК.

В ГЛАВЕ 4 описан впервые проведенный эксперимент, демонстрирующий перемагничивание многослойной металло-диэлектрической структуры фемтосекундными одиночными лазерными импульсами с ТМ-поляризацией за счет возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов в конфигурации Кречмана.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 28 печатных работах, в том числе в 6 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в квартиль Q1, Q2 и Q3, и в 22 публикациях в сборниках трудов и тезисов конференций. Полный список работ автора приведён в конце диссертации перед списком цитируемой литературы.

Апробация диссертационной работы

Результаты были представлены на международных конференциях, симпозиумах, школах, где автор участвовал в качестве докладчика. Среди них UMC 2022 (Нанси, Франция), ICFM 2021 (Алушта, Россия), META 2019 (Лиссабон, Португалия), SPP9 (Копенгаген, Дания), JEMS 2018 (Майнц, Германия), HMMM XXIII (Москва, Россия), UMC2017 (Кайзерслаутерн, Германия), Ломоносов 2017 (Москва, Россия), METANANO - 2016 (Анапа, Россия), META 2016 (Торремолинос, Испания), Дни дифракции 2016 (Санкт-Петербург, Россия), «Оптика - 2015» (Санкт-Петербург, Россия), КООС 2015 (Казань, Россия), 23 «Наноструктуры: физика и технология» (Санкт-Петербург, Россия), X «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» 2015 (Саратов, Россия), «Волны-2015» (Красновидово, Россия), META 2014 (Сингапур, Сингапур), VIII «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» 2013 (Саратов, Россия), «Волны-2013» (Красновидово, Россия), Ломоносов 2013 (Москва, Россия). Кроме того, результаты также были представлены и обсуждались в рамках научных семинаров на кафедре фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, Россия) и на семинарах группы магнитоплазмоники и сверхбыстрого магнетизма Российского квантового центра (Москва, Россия).

ГЛАВА 1. Общие вопросы магнитооптических эффектов в

многослойных наноструктурах

В главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных общим принципам управления светом с помощью магнитного поля в фотонных кристаллах и плазмонных структурах. Приводится описание процесса возбуждения сверхбыстрой динамики намагниченности структур фемтосекундными лазерными импульсами. Во второй части главы описываются примеры влияния на намагниченность каждого из исследуемых объектов оптическим излучением и магнитным полем.

1.1 Методы исследования

Основными методами исследования магнитных наноструктурированных материалов являются магнитооптические поляризационные и интенсивностные эффекты, а также методы управления намагниченностью лазерным излучением. В число первых входят эффект Фарадея, эффект Коттона-Мутона (или Фохта), эффекты Керра полярный и меридиональный, в число вторых - экваториальный эффект Керра и меридиональный магнитофотонный интенсивностный эффект, в качестве методов управления намагниченностью подразумеваются фотомагнитные эффекты, обратный эффект Фарадея, обратный эффект Коттона-Мутона и обратный магнитооптический эффект Керра. Далее более подробно даются описания этих инструментов исследования, причём основные из них будут использованы в ГЛАВАХ 2, 3 и 4.

1.1.1 Магнитооптические эффекты

Большой вклад в развитие магнитооптики внес профессор МГУ им. М.В. Ломоносова Г.С. Кринчик, а на возможность управления световыми потоками с помощью магнитного поля обратил внимание в 70-е годы прошлого века Нобелевский лауреат, академик А.М. Прохоров. Появление фотонных и

плазмонных кристаллов позволило реализовать на практике идею наноструктурного подхода: усиление воздействия магнитного поля на свет в десятки, сотни и даже тысячи раз по сравнению с объемными образцами.

Впервые магнитооптические (МО) эффекты были обнаружены во второй половине XIX века: эффект Фарадея в 1845 году самим М. Фарадеем, в 1876 году шотландский физик Джон Керр наблюдает свой полярный эффект [1], в 1878 году Керр обнаруживает меридиональный эффект Керра [2], в 1896 году Питер Зееман открывает экваториальный эффект Керра [3], который незадолго до этого теоретически был предсказан К. Виндом [4].

Потом уже в 50-60-е годы ХХ века магнитооптические методы применялись для обнаружения энергетического спектра магнитоактивных ионов в ферромагнитных (обладающих самопроизвольной намагниченностью) и антиферромагнитных (спиновые магнитные моменты электронов самопроизвольно ориентированы антипараллельно друг другу) диэлектриках, а также для обнаружения электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов. В настоящее время в научных лабораториях магнитооптические методы используются в качестве инструмента для исследования магнитных свойств магнитоупорядоченных веществ, а сами магнитооптические эффекты в обыденной жизни являются незаменимой основой для работы, например, циркуляторов оптического и СВЧ-диапазонов [5] и многих других. МО эффекты классифицируют по методу их наблюдения.

1. Эффекты, наблюдаемые в проходящем свете.

• Эффект Фарадея (рис. 1.1) - это эффект, возникающий в результате кругового двулучепреломления, то есть обусловлен разницей показателей преломления для лево- и право-циркулярно поляризованного света. Такое отличие приводит к вращению плоскости линейной поляризации света, проходящего через среду, намагниченную вдоль направления распространения электромагнитной волны, и появлению эллиптичности. Характеристикой эффекта Фарадея является угол Фарадея - угол поворота плоскости поляризации от первоначального положения. Его значение определяется произведением толщины намагниченной

среды на величину внешнего магнитного поля и на константу Верде, зависящую от длины волны излучения, температуры и свойств намагниченной среды. Угол поворота плоскости поляризации в отличие от естественной оптической активности (способности вещества вращать плоскость поляризации света при его прохождении через вещество) примет положительное или отрицательное значение вне зависимости от направления распространения света (по направлению приложения внешнего магнитного поля или против). Так, среда, помещённая в магнитное поле, и многократное прохождение света через неё приводит к увеличению угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз.

Рисунок 1.1 - Схема эффекта Фарадея: величина угла поворота ф зависит от модуля намагниченности М, направление поворота - от направления М.

Рисунки взяты из [6]

• Эффект Фохта (или эффект Коттона-Мутона, или эффект магнитного линейного двулучепреломления в оптически изотропном веществе) (рис. 1.2) - это явление, заключающееся в преобразовании плоскополяризованной волны в эллиптически поляризованную при прохождении через намагниченную среду. Эффект обусловлен различием комплексных показателей преломления для линейно-поляризованного света [7]. Характеристикой эффекта Коттона-Мутона является разница показателей преломления ортогонально поляризованных лучей (обыкновенного и необыкновенного). Она пропорциональна длине волны света, а также квадрату напряжённости магнитного поля и константе Коттона - Мутона, зависящей от вещества и убывающей обратно пропорционально температуре.

Ввиду малости константы Коттона-Мутона, весьма незначительным получается и отличие показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Таким образом, для наблюдения двойного лучепреломления необходимо прикладывать сильные магнитные поля.

Рисунок 1.2 - Схема эффекта Коттона-Мутона

2. Эффекты, влияющие на свет, отраженный от намагниченного кристалла. Эффекты Керра - полярный и меридиональный (рисунок 1.3 а и б, соответственно) - характеризуются вращением плоскости поляризации и трансформацией линейно поляризованной волны в эллиптически поляризованную.

Рисунок 1.3 - Схема МО эффекта Керра в трех конфигурациях: а - полярной, б меридиональной, в - экваториальной, где к - волновой вектор падающей световой волны, в - угол падения, М - вектор намагниченности материала.

Адаптировано из работы [6]

Присутствие ненулевой проекции волнового вектора к падающей световой волны на направление намагниченности М материала является особенностью

обеих конфигураций ЭК. Формулы, по которым находятся углы поворота плоскости поляризации вя и эллиптичности ф, следующие: для полярной конфигурации:

91е'™ = 1т—т^

£1£2(J^--s¿n2в+sinвtgв)

Е (£2-£1)(£2-£^д2в)

с,

£1£2( —-Б Ь n2в + sinвtgв)

фТЕТМ = Яе -ттг^с,

(£2-£1)(£2-£1^92в)

для меридиональной конфигурации:

9™'™ = т

£l£2sinв(l^sin^в±sinвtgв)

С,

£l£2Sinв(^^^±sinвtgв)

фТЕ,тм = Пе-- V

(£2-£1)(£2-£^д2в) ^-зт2в

где 82 и 8] - диэлектрические проницаемости магнитной и внешней среды, соответственно. Величина Q=g/(8+b) называется магнитооптическим параметром (или параметром Фохта). Гирация g= g(M) и постоянная Коттон-Мутона Ь=Ь(М) зависят от намагниченности и приравниваются нулю при ее отсутствии. Меридиональный эффект исчезает при нормальном падении.

Экваториальный эффект Керра (ЭЭК) (рисунок 1.3 в) является интенсивностным и характеризуется изменением и сдвигом фаз линейно поляризованного света, отраженного от намагниченного образца. Он особенен тем, что проявляется только для ТМ-волны. Относительное изменение интенсивности

по определению записывается как 5 = где I и 10 - интенсивности отраженных

¡о

волн при присутствии и отсутствии намагниченности, соответственно. Следовательно, для экваториального эффекта Керра справедлива система:

5 =

0, при ТЕ — поляризации,

—1т(£2-£гХег-Ъ&в^, При ТМ — поляризации

Используемые обозначения такие же, как и для описания полярного и меридионального эффектов Керра.

Упомянутый выше меридиональный интенсивностный эффект (Longitudinal Magnetophotonic Intensity Effect, LMPIE) возникает исключительно в магнитоплазмонном кристалле (пространственно-периодической плазмонной гетероструктуре, которая содержит магнетики) [8]. Этот эффект обусловлен только свойствами мод структурированной среды, за счет возбуждения в ней квази-ТЕ и квази-ТМ волноводных мод. Следовательно, падающая на плазмонный кристалл на частоте ТЕ-моды ТМ-поляризованная волна при намагниченном меридионально магнитном слое возбуждает квази-ТЕ-моду. Так изменяется спектр коэффициентов пропускания (или отражения), приводя к появлению интенсивностного эффекта. В размагниченной структуре это невозможно.

1.1.2 Оптические методы управления намагниченностью

В 1.1.1 приведено описание существующих эффектов воздействия магнитным полем на свет, но возможны и другие физические явления, связанные с взаимодействием света и магнитного порядка среды, а именно обратные магнитооптические эффекты.

Обратный эффект Фарадея

Циркулярно поляризованный свет действует подобно магнитному полю и потому может намагнитить не намагниченные тела, то есть в момент прохождения импульса возникает эффективное магнитное поле. За счет его появления намагниченность материала отклоняется от своего равновесия, и возможно возбуждение прецессии [9]. Она вызывается тем, что спинам электронов передаются спиновые моменты поглощаемых ими фотонов. Так можно описать суть обратного магнитооптического эффекта Фарадея (рисунок 1.4). При

Цир поляр лазерн

Рисунок 1.4 - Схема обратного эффекта Фарадея

прохождении света с круговой поляризацией через вещество появляется эффективное магнитное поле, Неиндуцированное обратным эффектом Фарадея, и направлено оно вдоль волнового вектора к падающей волны.

Впервые теоретический прогноз существования обратных МО эффектов был опубликован в работе Л.П. Питаевского в 1960 г. [10], где был описан обратный эффект Фарадея в плазме. По истечению нескольких лет обратный эффект Фарадея в парамагнитных и диамагнитных твердых телах теоретически рассмотрели и экспериментально обнаружили Дж. Ван дер Зиль и П. Першан [11; 12]. Далее, немного позднее, в 1970 г. французскими физиками (Дж. Дешам., М. Фитар, М. Лагут) было представлено экспериментальное доказательство существования ОЭФ [13].

Обратный эффект Коттона-Мутона

Обратный эффект Фохта или обратный эффект Коттона-Мутона (ОЭКМ) обусловлен появлением магнитного поля в кристалле при воздействии света с линейной поляризацией (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Обратный эффект Коттона-Мутона - возникновение намагниченности внутри материала при прохождении через него линейно-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сылгачева Дарья Анатольевна, 2022 год

Список литературы

1. XLIII. On rotation of the plane of polarization by reflection from the pole of a magnet / J. Kerr // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1877. - Vol. 3. - № 19. - P. 321-343.

2. John Kerr and his effects found in 1877 and 1878 / P. Weinberger // Philosophical Magazine Letters. - 2008. - Vol. 88. - № 12. - P. 897-907.

3. Measurements concerning the influence of a magnetization, perpendicular to the plane of incidence on the light reflected from an iron mirror / P. ZEEMAN // Communications From the Physical Laroratory At the University of Leiden. - 1896. -P. 103-110.

4. Cornelis Harm Wind. Eene Studie over de theorie der magneto-optische verschijnselen in verband met het Hall-effect / Cornelis Harm Wind // Verhandelingen der Koninklijke Akademie van Wetenschappen te Amsterdam. - 1896. - P. 1-94.

5. Устройства СВЧ и антенны | Издательство Радиотехника / Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И.; Воскресенский Д.И. ред. . - Москва : Радиотехника, 2016. - 1-560 с.

6. Резонансные оптические эффекты при оптическом, магнитном и акустическом воздействиях на плазмон-поляритоны в слоистых структурах -диссертация | ИСТИНА - Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных / Хохлов Николай Евгеньевич. - Москва : МГУ имени М.В. Ломоносова, 2015.

7. Д. В. Сивухин. Общий курс физики / Д. В. Сивухин. - Москва : ППП Тип. Наука, 2006.

8. Magnetophotonic intensity effects in hybrid metal-dielectric structures / V. I. Belotelov, L. E. Kreilkamp, A. N. Kalish [et al.] // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2014. - Vol. 89. - № 4.

9. Photoinduced magnetism / V. F. Kovalenko, E. L. Nagaev // Uspekhi Fizicheskih Nauk. - 1986. - Vol. 148. - № 04. - P. 561-602.

10. Electric Forces in a Transparent Dispersive Medium / L. P. Pitaevskii // J.

Exptl. Theoret. Phys. (U.S.S.R.). - 1961. - Vol. 12. - № 5. - P. 1450.

11. Optically-induced magnetization resulting from the inverse faraday effect / J. P. Van Der Ziel, P. S. Pershan, L. D. Malmstrom // Physical Review Letters. - 1965. -Vol. 15. - № 5. - P. 190-193.

12. Theoretical discussion of the inverse faraday effect, raman scattering, and related phenomena / P. S. Pershan, J. P. Van Der Ziel, L. D. Malmstrom // Physical Review. - 1966. - Vol. 143. - № 2. - P. 574-583.

13. Inverse Faraday effect in a plasma / J. Deschamps, M. Fitaire, M. Lagoutte // Physical Review Letters. - 1970. - Vol. 25. - № 19. - P. 1330-1332.

14. Наблюдение обратного эффекта Коттона - Мутона в магнитоупорядоченном кристалле (Lu,Bi)3(Fe,Ga)5O12i / Зон Б.А., Купершмидт

B.Я., Пахомов Г.В., Уразбаев Т.Т. // Письма в ЖЭТФ. - 1987. - Т. 45. - № 5. -

C. 219-222.

15. Inverse transverse magneto-optical Kerr effect / V. I. Belotelov, A. K. Zvezdin // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2012. -Vol. 86. - № 15. - P. 155133.

16. Ultrafast laser-induced changes of the magnetic anisotropy in a low-symmetry iron garnet film / L. A. Shelukhin, V. V. Pavlov, P. A. Usachev [et al.] // Physical Review B. - 2018. - Vol. 97. - № 1. - P. 014422.

17. Photomagnetic anneal, a new magneto-optic effect, in si-doped yttrium iron garnet / R. W. Teale, D. W. Temple // Physical Review Letters. - 1967. - Vol. 19. - № 16. - P. 904-905.

18. Поляризационные зависимости фотоиндуцированных изменений магнитокристаллической анизотропии в Y_3Fe_5O_12 при импульсном возбуждении / В.Г. Веселаго, Р.А. Дорошенко, С.Г. Рудов // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. - 1994. - Т. 105. - № 3. - С. 638.

19. Microscopic model for all optical switching in ferromagnets / T. D. Cornelissen, R. Córdoba, B. Koopmans // Applied Physics Letters. - 2016. - Vol. 108. -№ 14. - P. 142405.

20. Ultrafast optical manipulation of magnetic order / A. Kirilyuk, A. V. Kimel,

T. Rasing // Reviews of Modern Physics. - 2010. - Vol. 82. - № 3. - P. 2731-2784.

21. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel / E. Beaurepaire, J. C. Merle, A. Daunois, J. Y. Bigot // Physical Review Letters. - 1996. - Vol. 76. - № 22. -P. 4250-4253.

22. Photonic crystals: Molding the flow of light / J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn, R. D. Meade. - Princeton University Press, 2011.

23. Magnetophotonic crystals / M. Inoue, R. Fujikawa, A. Baryshev [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - Vol. 39. - № 8. - P. R151.

24. High-Q CMOS-integrated photonic crystal microcavity devices / K. K. Mehta, J. S. Orcutt, O. Tehar-Zahav [et al.] // Scientific Reports. - 2014. - Vol. 4. - № 1. - P. 1-6.

25. Inverse photonic crystals based on silica / P. E. Khokhlov, A. S. Sinitskii, Y. D. Tretyakov // Doklady Chemistry. - 2006. - Vol. 408. - № 1. - P. 61-64.

26. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics / E. Yablonovitch // Physical Review Letters. - 1987. - Vol. 58. - № 20. - P. 2059-2062.

27. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices / S. John // Physical Review Letters. - 1987. - Vol. 58. - № 23. - P. 2486-2489.

28. One-dimensional magnetophotonic crystals / M. Inoue, K. N. I. Arai, T. Fujii, M. Abe // Journal of Applied Physics. - 1999. - Vol. 85. - № 8 II B. - P. 57685770.

29. Optical properties of photonic crystals on textiles / J. Pan, Y. Jiang, L. Tao [et al.]. - second. - Berlin : Springer, 2020. - 7 p.

30. Фотонные кристаллы и другие метаматериалы. Т. 94 / Белотелов В.И., Звездин А.К.; Б.М. Болотовский, А.А. Варламов, В.Л. Гинзбург [и др.] ред. . -Москва : Бюро Квантум, 2006. - 1-144 с.

31. Photonic bandgaps with defects and the enhancement of Faraday rotation / M. J. Steel, M. Levy, R. M. Osgood // Journal of Lightwave Technology. - 2000. -Vol. 18. - № 9. - P. 1297-1308.

32. Microcavity One-Dimensional Magnetophotonic Crystals with Double Layer Iron Garnet / V. N. Berzhansky, T. V. Mikhailova, A. V. Karavainikov [et al.] //

Journal of the Magnetics Society of Japan. - 2012. - Vol. 36. - № 1_2. - P. 42-45.

33. Nonlinear magneto-optical Kerr effect in gyrotropic photonic band gap structures: Magneto-photonic microcavities / A. A. Fedyanin, T. Yoshida, K. Nishimura [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2003. - Vols. 258-259. - P. 9698.

34. Enhanced Faraday rotation in all-garnet magneto-optical photonic crystal / S. Kahl, A. M. Grishin // Applied Physics Letters. - 2004. - Vol. 84. - № 9. - P. 14381440.

35. Magnetophotonic crystals - A novel magneto-optic material with artificial periodic structures / M. Inoue, H. Uchida, K. Nishimura, P. B. Lim // Journal of Materials Chemistry. - 2006. - Vol. 16. - № 7. - P. 678-684.

36. Magneto-optical properties of one-dimensional photonic crystals composed of magnetic and dielectric layers / M. Inoue, K. Arai, T. Fujii, M. Abe // Journal of Applied Physics. - 1998. - Vol. 83. - № 11. - P. 6768-6770.

37. Flat-top response in one-dimensional magnetic photonic bandgap structures with faraday rotation enhancement / M. Levy, H. C. Yang, M. J. Steel, J. Fujita // Journal of Lightwave Technology. - 2001. - Vol. 19. - № 12. - P. 1964-1969.

38. Elliptical normal modes and stop band reconfiguration in multimode birefringent one-dimensional magnetophotonic crystals / A. Chakravarty, M. Levy, A. A. Jalali [et al.] // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2011. -Vol. 84. - № 9. - P. 094202.

39. Magnetophotonic materials and their applications / M. Inoue, A. V. Baryshev, A. B. Khanikaev [et al.] // IEICE Transactions on Electronics. - 2008. -Vols. E91-C. - № 10. - P. 1630-1638.

40. Faraday effects in one-dimensional magneto-optical photonic crystals / B. Gaiyan, D. Lijuan, F. Shuai, F. Zhifang // Optical Materials. - 2012. - Vol. 35. - № 2. -P. 252-256.

41. Surface states in photonic crystals / A. P. Vinogradov, A. V. Dorofeenko, A. M. Merzlikin, A. A. Lisyansky // Uspekhi Fizicheskih Nauk. - 2010. - Vol. 180. - № 3. - P. 249.

42. Tailoring surfaces of one-dimensional magnetophotonic crystals: Optical Tamm state and Faraday rotation / T. Goto, A. V. Baryshev, M. Inoue [et al.] // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2009. - Vol. 79. - № 12. -P. 125103.

43. Ultrafast nonlinear optical tuning of photonic crystal cavities / I. Fushman, E. Waks, D. Englund [et al.] // Applied Physics Letters. - 2007. - Vol. 90. - № 9. -P. 091118.

44. Photonic crystals with plasmonic patterns: novel type of the heterostructures for enhanced magneto-optical activity / N. E. Khokhlov, A. R. Prokopov, A. N. Shaposhnikov [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2015. - Vol. 48. - № 9.

- P. 095001.

45. Enhancement of optical and magneto-optical effects in three-dimensional opal/ Fe3 O4 magnetic photonic crystals / V. V. Pavlov, P. A. Usachev, R. V. Pisarev [et al.] // Applied Physics Letters. - 2008. - Vol. 93. - № 7. - P. 072502.

46. Layered optomagnonic structures: Time Floquet scattering-matrix approach / P. A. Pantazopoulos, N. Stefanou // Physical Review B. - 2019. - Vol. 99. - № 14. -P. 144415.

47. Photomagnonic nanocavities for strong light-spin-wave interaction / P. A. Pantazopoulos, N. Stefanou, E. Almpanis, N. Papanikolaou // Physical Review B. - 2017.

- Vol. 96. - № 10.

48. One-dimensional optomagnonic microcavities for selective excitation of perpendicular standing spin waves / V. A. Ozerov, D. A. Sylgacheva, M. A. Kozhaev [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2022. - Vol. 543. - P. 168167.

49. Bragg reflection waveguides / P. Yeh, A. Yariv // Optics Communications.

- 1976. - Vol. 19. - № 3. - P. 427-430.

50. Optical Waves in Crystals: Propagation and Control of Laser Radiation. / A. Yariv, P. Yeh // Opt Waves in Cryst, Propag and Control of Laser Radiat. - 1984. -P. 604.

51. Electromagnetic propagation in periodic stratified media I General theory* / P. Yeh, A. Yariv, C.-S. Hong // Journal of the Optical Society of America. - 1977. -

Vol. 67. - № 4. - P. 423.

52. Isolated waveguide modes of high-intensity light fields / A. M. Zheltikov // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. - 2004. - Vol. 174. - № 12. - P. 1301-1318.

53. An out-of-plane grating coupler for efficient butt-coupling between compact planar waveguides and single-mode fibers / D. Taillaert, W. Bogaerts, P. Bienstman [et al.1 // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2002. - Vol. 38. - № 7. - P. 949-955.

54. Opportunities and integration challenges for CMOS-compatible silicon photonic and optoelectronic devices / M. Salib, M. Morse, M. Paniccia // 2004 1st IEEE International Conference on Group IV Photonics. - 2004. - P. 1-3.

55. Theory of Bragg Fiber. / P. Yeh, A. Yariv, E. Maron // J Opt Soc Am. -1978. - Vol. 68. - № 9. - P. 1196-1201.

56. Bragg reflection waveguides with a matching layer / A. Mizrahi, L. Schchter // Optics Express. - 2004. - Vol. 12. - № 14. - P. 3156.

57. Asymptotic analysis of silicon based Bragg fibers / Y. Xu, A. Yariv, J. Fleming, S.-Y. Lin // Optics Express. - 2003. - Vol. 11. - № 9. - P. 1039.

58. Low-loss asymptotically single-mode propagation in large-core OmniGuide fibers / S. Johnson, M. Ibanescu, M. Skorobogatiy [et al.1 // Optics Express. - 2001. -Vol. 9. - № 13. - P. 748.

59. Свойства волноводных мод в фотонном кристалле на основе щелевого кремния с дефектом / Спицын А.С., Глинский Г.Ф. // Физика и техника полупроводников. - 2008. - № 10. - С. 1256.

60. Discrete self-focusing in nonlinear arrays of coupled waveguides / D. N. Christodoulides, R. I. Joseph // Optics Letters. - 1988. - Vol. 13. - № 9. - P. 794.

61. Discrete spatial optical solitons in waveguide arrays / H. S. Eisenberg, Y. Silberberg, R. Morandotti [et al.1 // Physical Review Letters. - 1998. - Vol. 81. - № 16. - P. 3383-3386.

62. Введение в теорию оптических волноводов / М. Адамс; И.Н. Сисакяна ред. . - Москва : Мир, 1984. - 1-512 с.

63. Волноводная оптоэлектроника / Тамир Т. - Москва : Мир, 1991. - 1575 с.

64. Diffraction management / H. S. Eisenberg, Y. Silberberg, R. Morandotti, J. S. Aitchison // Physical Review Letters. - 2000. - Vol. 85. - № 9. - P. 1863-1866.

65. Дискретная дифракция на каскадно-индуцированной периодической решетке / А.К. Сухорукова, А.П. Сухоруков, В.Е. Лобанов, О.В. Боровкова // Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2008. - Т. 72. - № 1. -С. 19-22.

66. Discrete diffraction in two-dimensional arrays of coupled waveguides in silica / T. Pertsch, U. Peschel, F. Lederer [et al.] // Optics Letters. - 2004. - Vol. 29. -№ 5. - P. 468.

67. под редакцией Т. Тамира. Интегральная оптика. Т. 7 / под редакцией Т. Тамира; Т.А. Шмаонова ред. . - Москва : Мир, 1978. - 1-344 с.

68. Observation of propagation cutoff and its control in thin optical waveguides / D. Hall, A. Yariv, E. Garmire // Applied Physics Letters. - 1970. - Vol. 17. - № 3. -P. 127-129.

69. Optical Guiding and electro-optic modulation in GaAs epitaxial layers / D. Hall, A. Yariv, E. Garmire // Optics Communications. - 1970. - Vol. 1. - № 9. - P. 403405.

70. Теория резонансных электромагнитных систем с полным внутренним отражением / Л.В. Иогансен // Журнал технической физики. - 1962. - Т. 32. - № 4.

- С. 406-418.

71. Transmission of Optical Energy Along Surfaces: Part II, Inhomogeneous Media / H. Osterberg, L. W. Smith // Journal of the Optical Society of America. - 1964.

- Vol. 54. - № 9. - P. 1078.

72. Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection / A. Otto // Zeitschrift für Physik. - 1968. - Vol. 216. - № 4. -P. 398-410.

73. Direct optical coupling to surface excitations / A. S. Barker // Physical Review Letters. - 1972. - Vol. 28. - № 14. - P. 892-895.

74. Beam Coupling to Films* / J. H. Harris, R. Shubert, J. N. Polky // Journal of the Optical Society of America. - 1970. - Vol. 60. - № 8. - P. 1007.

75. Modes of propagating light waves in thin deposited semiconductor films / P. K. Tien, R. Ulrich, R. J. Martin // Applied Physics Letters. - 1969. - Vol. 14. - № 9. -P. 291-294.

76. Experimental studies of evanescent wave coupling into a thin-film waveguide / J. E. Midwinter, F. Zernike // Applied Physics Letters. - 1970. - Vol. 16. -№ 5. - P. 198-200.

77. Optimum excitation of optical surface waves / Ulrich R. // J Opt Soc Amer.

- 1971. - Vol. 61. - № 11. - P. 1467-1477.

78. Variable Tunneling Excitation of Optical Surface Waves / J. H. Harris, R. Shubert // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1971. - Vol. 19.

- № 3. - P. 269-276.

79. Grating coupler for efficient excitation of optical guided waves in thin films / M. L. Dakss, L. Kuhn, P. F. Heidrich, B. A. Scott // Applied Physics Letters. - 1970. -Vol. 16. - № 12. - P. 523-525.

80. Narrowband photodetection in the near-infrared with a plasmon-induced hot electron device / A. Sobhani, M. W. Knight, Y. Wang [et al.] // Nature Communications.

- 2013. - Vol. 4. - № 1. - P. 1-6.

81. Experiments on light waves in a thin tapered film and a new light-wave coupler / P. K. Tien, R. J. Martin // Applied Physics Letters. - 1971. - Vol. 18. - № 9. -P. 398-401.

82. Light-wave coupling to optical waveguides by a tapered cladding medium / W. Sohler // Journal of Applied Physics. - 1973. - Vol. 44. - № 5. - P. 2343-2345.

83. Holographic coupler for integrated optics / E. A. Ash, E. Seaford, O. Soares, K. S. Pennington // Applied Physics Letters. - 1974. - Vol. 24. - № 4. - P. 207-208.

84. Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials. Mod. Magnetooptics Magnetooptical Mater. / A. K. Zvezdin, V. A. Kotov. - New York : Taylor & Francis Group, 1997.

85. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials / B. Luk'Yanchuk, N. I. Zheludev, S. A. Maier [et al.] // Nature Materials. - 2010. - Vol. 9.

- № 9. - P. 707-715.

86. Influence of the Plasmonic Nanodisk Positions Inside a Magnetic Medium on the Faraday Effect Enhancement / A. N. Kuzmichev, D. A. Sylgacheva, M. A. Kozhaev [et al.] // Physica Status Solidi - Rapid Research Letters. - 2020. - Vol. 14. -№ 4.

87. Enhanced magneto-optical Faraday effect in two-dimensional magnetoplasmonic structures caused by orthogonal plasmonic oscillations / D. M. Krichevsky, A. N. Kalish, M. A. Kozhaev [et al.] // Physical Review B. - 2020. -Vol. 102. - № 14. - P. 144408.

88. Magnetoplasma modes in thin films in the Faraday configuration / M. S. Kushwaha, P. Halevi // Physical Review B. - 1987. - Vol. 35. - № 8. - P. 3879-3889.

89. Faraday rotation in iron garnet films beyond elemental substitutions / M. Levy, O. V. Borovkova, C. Sheidler [et al.] // Optica. - 2019. - Vol. 6. - № 5. - P. 642.

90. Transformation of mode polarization in gyrotropic plasmonic waveguides / A. N. Kalish, D. O. Ignatyeva, V. I. Belotelov [et al.] // Laser Physics. - 2014. - Vol. 24. - № 9.

91. Optical phenomena in thin-film magnetic waveguides and their technical application / A. M. Prokhorov, G. A. Smolenskii, A. N. Ageev // Uspekhi Fizicheskih Nauk. - 1984. - Vol. 143. - № 5. - P. 33.

92. Giant transversal Kerr effect in magneto-plasmonic heterostructures: The scattering-matrix method / V. I. Belotelov, D. A. Bykov, L. L. Doskolovich [et al.] // Journal of Experimental and Theoretical Physics. - 2010. - Vol. 110. - № 5. - P. 816824.

93. Guided plasmonic modes of anisotropic slot waveguides / I. D. Rukhlenko, M. Premaratne, G. P. Agrawal // Nanotechnology. - 2012. - Vol. 23. - № 44.

94. Magnetic modulation of surface plasmon modes in magnetoplasmonic metal-insulator-metal cavities / E. Ferreiro-Vila, J. M. García-Martín, A. Cebollada [et al.] // Optics Express. - 2013. - Vol. 21. - № 4. - P. 4917.

95. Selective and Tunable Excitation of Standing Spin Waves in a Magnetic Dielectric Film by Optical Guided Modes / D. M. Krichevsky, D. O. Ignatyeva, V. A. Ozerov, V. I. Belotelov // Physical Review Applied. - 2021. - Vol. 15. - № 3. -

P. 034085.

96. Spectrally Selective Detection of Short Spin Waves in Magnetoplasmonic Nanostructures via the Magneto-Optical Intensity Effect / O. V. Borovkova, S. V. Lutsenko, M. A. Kozhaev [et al.1 // Nanomaterials. - 2022. - Vol. 12. - № 3. - P. 405.

97. Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films / R. H. Ritchie // Physical Review. - 1957. - Vol. 106. - № 5. - P. 874-881.

98. Surface plasma oscillations of a degenerate electron gas / E. A. Stern, R. A. Ferrell // Physical Review. - 1960. - Vol. 120. - № 1. - P. 130-136.

99. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона / М.Н. Либенсон // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 10.

100. Plasmonics: Fundamentals and applications / S. A. Maier. - New York : Springer US, 2007. - 1-223 p.

101. Magneto-optical plasmonic heterostructure with ultranarrow resonance for sensing applications / D. O. Ignatyeva, G. A. Knyazev, P. O. Kapralov [et al.1 // Scientific Reports. - 2016. - Vol. 6. - № 1. - P. 1-7.

102. High-Q Surface Modes in Photonic Crystal/Iron Garnet Film Heterostructures for Sensor Applications / D. O. Ignatyeva, P. O. Kapralov, G. A. Knyazev [et al.1 // JETP Letters. - 2016. - Vol. 104. - № 10. - P. 679-684.

103. Поверхностные высокодобротные моды в гетероструктурах «фотонный кристалл-пленка феррита-граната» для сенсорных применений / Д. О. Игнатьева, П. О. Капралов, Г. А. Князев [и др.] // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2016. - Т. 104. - № 10. - С. 689-694.

104. Extraordinary magneto-optical effects and transmission through metal-dielectric plasmonic systems / V. I. Belotelov, L. L. Doskolovich, A. K. Zvezdin // Physical Review Letters. - 2007. - Vol. 98. - № 7. - P. 077401.

105. Magnetooptical properties of perforated metallic films / V. I. Belotelov, L. L. Doskolovich, V. A. Kotov, A. K. Zvezdin // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2007. - Vol. 310. - № 2 SUPPL. PART 3. - P. e843-e845.

106. Highly sensitive sensors based on magneto-optical surface plasmon resonance in Ag/CeYIG heterostructures / J. Qin, L. Deng, J. Xie [et al.1 // AIP Advances.

- 2015. - Vol. 5. - № 1. - P. 017118.

107. Influence of surface plasmons on the Faraday effect in bismuth-substituted yttrium iron garnet films / J. Bremer, V. Vaicikauskas, F. Hansteen, O. Hunderi // Journal of Applied Physics. - 2001. - Vol. 89. - № 11 I. - P. 6177-6182.

108. Magneto-optical sandwiches for surface plasmon resonance systems / J. Pistora, J. Vlcek, M. Lesnak, M. Cada // International Journal of Microwave and Optical Technology. - 2014. - Vol. 9. - № 1. - P. 101-105.

109. Magneto-Optics of Plasmonic Crystals / V. I. Belotelov, A. N. Kalish, A. K. Zvezdin // U. Inoue, Mitsuteru (Technology, Dept. of Electric and Electronic Eng., Toyohashi University, Toyohashi, 441-8580, Japan), Miguel Levy (Technological University, Physics Department, Michigan, Townsend Drive 1400, Houghton, 49931 ed. . - Springer, Berlin, Heidelberg, 2013. - P. 51-106.

110. Variation of longitudinal kerr and faraday effects with angle of incidence in thin iron films / J. Judy // IEEE Transactions on Magnetics. - 1970. - Vol. 6. - № 3. -P. 563-569.

111. Magnetooptic effects in surface-plasmon-polaritons slab waveguides / B. Sepulveda, L. M. Lechuga, G. Armelles // Journal of Lightwave Technology. - 2006. -Vol. 24. - № 2. - P. 945-955.

112. Surface-enhanced magneto-optics in metallic multilayer films / C. Hermann, V. A. Kosobukin, G. Lampel [et al.] // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2001. - Vol. 64. - № 23. - P. 235422.

113. Polariton enhancement of the Faraday magnetooptic effect / V. E. Kochergin, A. Y. Toporov, M. V. Valeiko // JETP Letters. - 1998. - Vol. 68. - № 5. -P. 400-403.

114. Optical and magneto-optical studies of two-dimensional metallodielectric photonic crystals on cobalt films / M. Diwekar, V. Kamaev, J. Shi, Z. V. Vardeny // Applied Physics Letters. - 2004. - Vol. 84. - № 16. - P. 3112-3114.

115. Anomalous Faraday effect of a system with extraordinary optical transmittance / A. B. Khanikaev, A. V Baryshev, A. A. Fedyanin [et al.] // Optics Express.

- 2007. - Vol. 15. - № 11. - P. 6612.

116. Magneto-optical enhancement through gyrotropic gratings / Y. H. Lu, M. H. Cho, J. B. Kim [et al.] // Optics Express. - 2008. - Vol. 16. - № 8. - P. 5378.

117. Optical and magnetic properties of hexagonal arrays of subwavelength holes in optically thin cobalt films / G. Ctistis, E. Papaioannou, P. Patoka [et al.] // Nano Letters. - 2009. - Vol. 9. - № 1. - P. 1-6.

118. Controlling optical transmission through magneto-plasmonic crystals with an external magnetic field / G. A. Wurtz, W. Hendren, R. Pollard [et al.] // New Journal of Physics. - 2008. - Vol. 10.

119. Magnetic recording at 1.5Pbm-2 using an integrated plasmonic antenna / B. C. Stipe, T. C. Strand, C. C. Poon [et al.] // Nature Photonics. - 2010. - Vol. 4. - № 7. -P. 484-488.

120. Inverse Faraday effect in plasmonic heterostructures / V. I. Belotelov, E. A. Bezus, L. L. Doskolovich [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. - 2010. -Vol. 200.

121. All-optical magnetization switching by counterpropagataion or two-frequency pulses using the plasmon-induced inverse Faraday effect in magnetoplasmonic structures / S. J. Im, J. S. Pae, C. S. Ri [et al.] // Physical Review B. - 2019. - Vol. 99. -№ 4. - P. 041401.

122. Nanoscale sub-100 picosecond all-optical magnetization switching in GdFeCo microstructures / L. Le Guyader, M. Savoini, S. El Moussaoui [et al.] // Nature Communications. - 2015. - Vol. 6. - № 1. - P. 5839.

123. Ultrafast Magneto-Optics in Nickel Magnetoplasmonic Crystals / I. A. Novikov, M. A. Kiryanov, P. K. Nurgalieva [et al.] // Nano Letters. - 2020. - Vol. 20. -№ 12. - P. 8615-8619.

124. Ultrafast demagnetization in a ferrimagnet under electromagnetic field funneling / K. Mishra, A. Ciuciulkaite, M. Zapata-Herrera [et al.] // Nanoscale. - 2021. -Vol. 13. - № 46. - P. 19367-19375.

125. All-Dielectric Nanophotonics Enables Tunable Excitation of the Exchange Spin Waves / A. I. Chernov, M. A. Kozhaev, D. O. Ignatyeva [et al.] // Nano Letters. -2020. - Vol. 20. - № 7. - P. 5259-5266.

126. Surface Plasmon-Mediated Nanoscale Localization of Laser-Driven sub-Terahertz Spin Dynamics in Magnetic Dielectrics / A. L. Chekhov, A. I. Stognij, T. Satoh [et al.] // Nano Letters. - 2018. - Vol. 18. - № 5. - P. 2970-2975.

127. Surface plasmon polaritons and inverse faraday effect / N. E. Khokhlov, V. I. Belotelov, A. N. Kalish, A. K. Zvezdin // Solid State Phenomena. - 2012. - Vol. 190. - P. 369-372.

128. Enhanced optically induced magnetization due to inverse Faraday effect in plasmonic nanostructures / S. M. Hamidi, M. Razavinia, M. M. Tehranchi // Optics Communications. - 2015. - Vol. 338. - P. 240-245.

129. Spin waves and electromagnetic waves in photonic-magnonic crystals / J. W. Klos, M. Krawczyk, Y. S. Dadoenkova [et al.] // IEEE Transactions on Magnetics. -2014. - Vol. 50. - № 11.

130. Photonic-magnonic crystals: Multifunctional periodic structures for magnonic and photonic applications / J. W. Klos, M. Krawczyk, Y. S. Dadoenkova [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2014. - Vol. 115. - № 17. - P. 174311.

131. Dielectric nanopatterned surfaces for subwavelength light localization and sensing applications / E. Almpanis, N. Papanikolaou // Microelectronic Engineering. -2016. - Vol. 159. - P. 60-63.

132. TMOKE as efficient tool for the magneto-optic analysis of ultra-thin magnetic films / O. V. Borovkova, H. Hashim, M. A. Kozhaev [et al.] // Applied Physics Letters. - 2018. - Vol. 112. - № 6. - P. 063101.

133. The total absorption of light by a diffraction grating / M. C. Hutley, D. Maystre // Optics Communications. - 1976. - Vol. 19. - № 3. - P. 431-436.

134. Experimental demonstration of fiber-accessible metal nanoparticle plasmon waveguides for planar energy guiding and sensing / S. A. Maier, M. D. Friedman, P. E. Barclay, O. Painter // Applied Physics Letters. - 2005. - Vol. 86. - № 7. - P. 1-3.

135. Active plasmonics: Controlling signals in Au/Ga waveguide using nanoscale structural transformations / A. V. Krasavin, N. I. Zheludev // Applied Physics Letters. -2004. - Vol. 84. - № 8. - P. 1416-1418.

136. A hybrid plasmonic waveguide for subwavelength confinement and long-

range propagation / R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. A. Genov [et al.] // Nature Photonics.

- 2008. - Vol. 2. - № 8. - P. 496-500.

137. Plasmonic waveguides with low polarization dependence / L. Jin, Q. Chen, S. Song // Optics Letters. - 2013. - Vol. 38. - № 16. - P. 3078.

138. Design of diffractive lenses for focusing surface plasmons / E. A. Bezus, L. L. Doskolovich, N. L. Kazanskiy [et al.] // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics.

- 2010. - Vol. 12. - № 1. - P. 015001.

139. Ultrafast non-thermal control of magnetization by instantaneous photomagnetic pulses / A. V. Kimel, A. Kirilyuk, P. A. Usachev [et al.] // Nature. - 2005.

- Vol. 435. - № 7042. - P. 655-657.

140. Directional control of spin-wave emission by spatially shaped light / T. Satoh, Y. Terui, R. Moriya [et al.] // Nature Photonics. - 2012. - Vol. 6. - № 10. - P. 662666.

141. Nonthermal ultrafast optical control of the magnetization in garnet films / F. Hansteen, A. Kimel, A. Kirilyuk, T. Rasing // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2006. - Vol. 73. - № 1.

142. Optical excitation of a forbidden magnetic resonance mode in a doped lutetium-iron-garnet film via the inverse Faraday effect / A. H. M. Reid, A. V. Kimel, A. Kirilyuk [et al.] // Physical Review Letters. - 2010. - Vol. 105. - № 10.

143. Ultrafast optical control of magnetization dynamics in polycrystalline bismuth doped iron garnet thin films / M. Deb, M. Vomir, J. L. Rehspringer, J. Y. Bigot // Applied Physics Letters. - 2015. - Vol. 107. - № 25. - P. 252404.

144. All-optical magnetic recording with circularly polarized light / C. D. Stanciu, F. Hansteen, A. V. Kimel [et al.] // Physical Review Letters. - 2007. - Vol. 99. - № 4. -P. 047601.

145. Investigation of the femtosecond inverse Faraday effect using paramagnetic Dy3Al5O12 / A. H. M. Reid, A. V. Kimel, A. Kirilyuk [et al.] // Physical Review B -Condensed Matter and Materials Physics. - 2010. - Vol. 81. - № 10. - P. 104404.

146. Ultrafast inverse Faraday effect in a paramagnetic terbium gallium garnet crystal / R. V. Mikhaylovskiy, E. Hendry, V. V. Kruglyak // Physical Review B -

Condensed Matter and Materials Physics. - 2012. - Vol. 86. - № 10. - P. 100405.

147. Nonlinear optical properties of solids: energy considerations / P. S. Pershan // Physical Review. - 1963. - Vol. 130. - № 3. - P. 919-929.

148. Optical excitation of antiferromagnetic resonance in TmFeO3 / A. V. Kimel, C. D. Stanciu, P. A. Usachev [et al.1 // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2006. - Vol. 74. - № 6. - P. 060403.

149. Femtosecond photomagnetic switching of spins in ferrimagnetic garnet films / F. Hansteen, A. Kimel, A. Kirilyuk, T. Rasing // Physical Review Letters. - 2005. -Vol. 95. - № 4. - P. 047402.

150. Femtosecond opto-magnetism: Ultrafast laser manipulation of magnetic materials / A. V. Kimel, A. Kiriyuk, T. Rasing // Laser and Photonics Reviews. - 2007.

- Vol. 1. - № 3. - P. 275-287.

151. Laser-induced ultrafast spin dynamics in ErFeO3 / J. A. De Jong, A. V. Kimel, R. V. Pisarev [et al.1 // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2011. - Vol. 84. - № 10.

152. Ultrafast optical control of magnetization in EuO thin films / T. Makino, F. Liu, T. Yamasaki [et al.1 // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics.

- 2012. - Vol. 86. - № 6.

153. The vectorial control of magnetization by light / N. Kanda, T. Higuchi, H. Shimizu [et al.1 // Nature Communications. - 2011. - Vol. 2. - № 1. - P. 362.

154. Terahertz radiation from antiferromagnetic MnO excited by optical laser pulses / J. Nishitani, T. Nagashima, M. Hangyo // Applied Physics Letters. - 2013. -Vol. 103. - № 8. - P. 081907.

155. Wide frequencies range of spin excitations in a rare-earth Bi-doped iron garnet with a giant Faraday rotation / S. Parchenko, A. Stupakiewicz, I. Yoshimine [et al.1 // Applied Physics Letters. - 2013. - Vol. 103. - № 17. - P. 172402.

156. Dynamics of domain walls in weak ferromagnets / V. G. Bar'yakhtar, B. A. Ivanov, M. V. Chetkin // Uspekhi Fizicheskih Nauk. - 1985. - Vol. 146. - № 7. - P. 417.

157. О динамике доменных границ в слабых ферромагнетиках / А.К. Звездин // Письма в ЖЭТФ. - 1979. - Т. 29. - № 10. - С. 605.

158. Controlling coherent and incoherent spin dynamics by steering the photoinduced energy flow / D. Bossini, A. M. Kalashnikova, R. V. Pisarev [et al.] // Physical Review B. - 2014. - Vol. 89. - № 6. - P. 060405.

159. Spin dynamics of antiferromagnets under action of femtosecond laser pulses / B. A. Ivanov // Low Temperature Physics. - 2014. - Vol. 40. - № 2. - P. 119-138.

160. Time-Resolved Imaging of Magnetoelastic Waves by the Cotton-Mouton Effect / T. Hioki, Y. Hashimoto, T. H. Johansen, E. Saitoh // Physical Review Applied. -2019. - Vol. 11. - № 6. - P. 061007.

161. Ultrafast optical excitation of coherent magnons in antiferromagnetic NiO / C. Tzschaschel, K. Otani, R. Iida [et al.] // Physical Review B. - 2017. - Vol. 95. - № 17.

- P. 174407.

162. Synthesis, Characteristics, and Material Properties Dataset of Bi:DyIG-Oxide Garnet-Type Nanocomposites / M. Nur-E-Alam, M. Vasiliev, K. Alameh // Journal of Nanomaterials. - 2015. - Vol. 2015. - P. 1-9.

163. High performance [Bi3 Fe5 O12 Sm3 Ga5 O12] m magneto-optical photonic crystals / S. I. Khartsev, A. M. Grishin // Journal of Applied Physics. - 2007. - Vol. 101.

- № 5. - P. 053906.

164. Magnetic and magneto-optic properties of lead- and bismuth-substituted yttrium iron garnet films / P. Hansen, K. Witter, W. Tolksdorf // Physical Review B. -1983. - Vol. 27. - № 11. - P. 6608-6625.

165. Epitaxial [formula omitted] films grown by pulsed laser deposition and reactive ion beam sputtering techniques / N. Adachi, V. P. Denysenkov, S. I. Khartsev [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2000. - Vol. 88. - № 5. - P. 2734-2739.

166. Enhancement of Faraday rotation at photonic-band-gap edge in garnet-based magnetophotonic crystals / A. G. Zhdanov, A. A. Fedyanin, O. A. Aktsipetrov [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2006. - Vol. 300. - № 1. - P. e253-e256.

167. Peculiarities of the inverse Faraday effect induced in iron garnet films by femtosecond laser pulses / M. A. Kozhaev, A. I. Chernov, I. V. Savochkin [et al.] // JETP Letters. - 2016. - Vol. 104. - № 12. - P. 833-837.

168. Superparamagnetism / C. P. Bean, J. D. Livingston // Journal of Applied Physics. - 1959. - Vol. 30. - № 4. - P. S120-S129.

169. Roadmap for 10 Gbit/in2 Media: Challenges / R. F. Simmons, R. Davidson // IEEE Transactions on Magnetics. - 1992. - Vol. 28. - № 5. - P. 3078-3083.

170. Ultrafast heating as a sufficient stimulus for magnetization reversal in a ferrimagnet / T. A. Ostler, J. Barker, R. F. L. Evans [et al.] // Nature Communications. -2012. - Vol. 3. - № 1. - P. 1-6.

171. Transient ferromagnetic-like state mediating ultrafast reversal of antiferromagnetically coupled spins / I. Radu, K. Vahaplar, C. Stamm [et al.] // Nature. -2011. - Vol. 472. - № 7342. - P. 205-209.

172. Ultrafast double magnetization switching in GdFeCo with two picosecond-delayed femtosecond pump pulses / U. Atxitia, T. A. Ostler // Applied Physics Letters. -2018. - Vol. 113. - № 6. - P. 062402.

173. Ultrafast spin dynamics in multisublattice magnets / J. H. Mentink, J. Hellsvik, D. V. Afanasiev [et al.] // Physical Review Letters. - 2012. - Vol. 108. - № 5.

- P. 057202.

174. Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization / B. Koopmans, G. Malinowski, F. Dalla Longa [et al.] // Nature Materials. - 2010. - Vol. 9. - № 3. - P. 259-265.

175. All-optical magnetization reversal by circularly polarized laser pulses: Experiment and multiscale modeling / K. Vahaplar, A. M. Kalashnikova, A. V. Kimel [et al.] // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2012. - Vol. 85. -№ 10. - P. 104402.

176. Surface-plasmon opto-magnetic field enhancement for all-optical magnetization switching / A. Dutta, A. V. Kildishev, V. M. Shalaev [et al.] // Optical Materials Express. - 2017. - Vol. 7. - № 12. - P. 4316.

177. Ultrafast spin dynamics across compensation points in ferrimagnetic GdFeCo: The role of angular momentum compensation / C. D. Stanciu, A. V. Kimel, F. Hansteen [et al.] // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. - 2006.

- Vol. 73. - № 22. - P. 220402.

178. Layer-sensitive magneto-optical spectroscopic study of magnetization dynamics in multilayered RE-TM structures / Y. Tsema, M. Savoini, A. Tsukamoto [et al.] // Applied Physics Letters. - 2016. - Vol. 109. - № 17. - P. 172403.

179. Compositional dependence of g-factor and damping constant of GdFeCo amorphous alloy films / T. Kato, K. Nakazawa, R. Komiya [et al.] // IEEE Transactions on Magnetics. - 2008. - Vol. 44. - № 11 PART 2. - P. 3380-3383.

180. Role of electron and phonon temperatures in the helicity-independent all-optical switching of GdFeCo / J. Gorchon, R. B. Wilson, Y. Yang [et al.] // Physical Review B. - 2016. - Vol. 94. - № 18. - P. 184406.

181. Ray Optics Simulation. - URL: https://ricktu288.github.io/ray-optics/simulator/ (date accessed: 22.04.2022). - Text: electronic.

182. Magnetic Kerr Rotation and Sublattice Iron Moment in Gd-Fe Amorphous Alloy Films / N. Imamura, Y. Mimura // Journal of the Physical Society of Japan. - 1976. - Vol. 41. - № 3. - P. 1067-1068.

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору РАН, д.ф.-м.н. Белотелову Владимиру Игоревичу за выбор темы научной работы, непрерывное обучение и помощь в проведении теоретических и экспериментальных исследований, проявленное внимание, терпение и поддержку при написании диссертационной работы.

Автор выражает признательность коллегам научной группы «Магнитоплазмоника и сверхбыстрый магнетизм» общества с ограниченной ответственностью «Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий» за содействие в проведении измерений, неоценимую профессиональную и человеческую поддержку, а также за важные и развивающие консультации в процессе выполнения работы. Автор благодарит старшего научного сотрудника, к.ф.-м.н. Андрея Николаевича Калиша, старшего научного сотрудника, д.ф.-м.н. Игнатьеву Дарью Олеговну, старшего научного сотрудника, к.ф.-м.н. Князева Григория Алексеевича, младшего научного сотрудника Безменову Анастасию Евгеньевну.

Автор благодарит за ценные научные беседы и полезные замечания: доктора физико-математических наук, профессора, главного научного сотрудника Теоретического отдела Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, да и просто человека необыкновенной чуткости и широкой души, Звездина Анатолия Константиновича.

Автор выражает благодарность старшему научному сотруднику лаборатории криоэлектроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, к.ф.-м.н. Дагесяну Саркису за помощь в проведении исследований на сканирующем электронном микроскопе и изготовлении плазмонных структур.

Автор благодарит за взращивание неубывающего интереса к исследовательской деятельности старшего научного сотрудника лаборатории физики ферроиков Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, к.ф.-м.н. Хохлова Николая Евгеньевича.