Магнит, управляющий светом

Меняя с помощью электрического поля намагниченность в магнитном кристалле, можно управлять светом, который падает на этот кристалл.

При намагничивании магнитных кристаллов в них спонтанно образуются области, отличающиеся друг от друга направлением намагниченности. Такие области называются магнитными доменами, а границы между ними – стенками.

Магнитные домены в микрокристаллических зернах в куске NdFeB. Они видны как светлые и темные полосы в пределах каждого зерна (Фото: Wikipedia.) 

Схематическое изображение намагниченности в разных доменах.

Схема эксперимента с лазерным лучом, падающим на два магнитных домена, на один из который действуют электрической иглой. (Иллюстрация: Nikolai E. Khokhlov et al., Scientific Reports 7, 264 (2017).)

В спинтронике – разделе электроники, основанном на спиновых эффектах электронов – магнитные доменные стенки рассматривают как миниатюрное устройство, которое по сравнению с другими требует для переключения намного меньше времени и энергии. Переключать стенки, то есть управлять их намагниченностью, можно с помощью электрического поля – такой эффект носит название магнитоэлектрического, а его разновидность, возникающая при пространственной неоднородности электрического или магнитного поля, называется флексомагнитоэлектрическим эффектом. Оба активно исследуются в последние годы, однако пока экспериментальных работ по флексомагнитоэлектрическому эффекту мало.

Этот пробел попытались заполнить исследователи физического факультета Московского государственного университет им. М.В.Ломоносова, которые показали, как можно управлять светом с помощью флексомагнитоэлектрического эффекта. Если к доменным стенкам в магнитном кристалле приблизить иглу с электрическим полем, стенки начнут смещаться. Если к тому же на стенках будет сфокусирован свет, то его параметры можно будет изменять с помощью такого смещения.

В эксперименте физики использовали пленку висмут-замещенного феррита граната, представляющую собой магнитный материал с доменной структурой. Источником электрического поля стала заряженная металлическая игла толщиной 15 микрон. Неоднородное электрическое поле смещало стенку домена на расстояние до трети его ширины. Смещением в масштабах порядка 10 микрон можно управлять, тем самым модулируя падающий свет, что и было продемонстрировано с помощью поляризованного лазерного луча, сфокусированного на стенке домена.

Модуляция света основана на так называемом эффекте Фарадея, или магнитооптическом эффекте. Его суть в том, что у линейно-поляризованного света под действием магнитного поля поворачивается плоскость поляризации. Другими словами, в линейно-поляризованном свете (электромагнитной волне) вектор электрического поля колеблется в определенной плоскости, а под действием магнитного поля она поворачивается. Таким образом, смещая стенку домена, можно влиять на величину этого поворота. Полностью результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

Такой магнитооптический модулятор с электрическим управлением может помочь в решении различных задач нанофотоники и спинтроники, например, в качестве затвора, перестраиваемого источника спиновых волн и т.п. Авторы работы планируют продолжить исследования, в частности, они собираются изучить поведение доменной границы в высокочастотном электрическом поле.

Источник:    Наука и жизнь