Тропинка, длинною в пять лет

Началось все, как чаще и бывает, очень буднично и ничего особенного не предвещало. Третий курс, распределение на кафедру, выбор научного руководителя… Большая установка с несколькими лазерами, вспыхивающими в темноте разными огнями, сразу привлекла мое внимание и определила дальнейшую судьбу. Сразу выяснилось, что для установки необходима более современная система автоматизации, что надо подключить к ней АЦП, а я в то время как раз увлекался подключением внешних устройств к компьютеру. Ну и как само собой разумеющееся, автоматизирование установки было лишь необходимым шагом к началу реальных экспериментов. Задача изучения сверхтонких металлических пленок возникла как логичное продолжение работ по исследованию квантово-размерного эффекта в полупроводниковых пленках, которые проводились в нашей лаборатории.

Конечно же, во всем "виноват" научный руководитель -- Шувалов Владимир Владимирович. Именно он был уверен, что у нас что-нибудь получится… а точнее, что мы найдем квантово-размерный эффект в металлах! Конечно, как это часто бывает никакого эффекта мы не нашли. Огромное количество времени, убитого на юстировку непослушной установки, на попытки найти полезный сигнал от этих нанометровых пленок, отбраковывание бесконечно сгорающих под излучением лазера образцов, которые наконец-то приводили к экспериментальным картинкам… не показывающим никакого квантово-размерного эффекта. Постепенно романтическое настроение студента-третьекурсника ушло на второй план, и для меня начались суровые будни физика-экспериментатора. Однако, как это всегда бывает, огромное количество экспериментальных картинок не пропало даром. Опытный взгляд шефа ясно видел в них необъяснимые, с точки зрения современных знаний о металлах, особенности. И действительно, начала вырисовываться интересная картина. Последующие эксперименты лишь подтверждали наши предположения. Оказалось, что в оптическом диапазоне частот процесс формирования когерентного нелинейного отклика на пикосекундные лазерные импульсы с энергией кванта порядка 2 эВ определяется вкладами от межзонных электронных переходов. А поглощение на свободных носителях, на котором и базировалось большинство теорий, не играет существенной роли. Построенная нами теоретическая модель нелинейного отклика сверхтонких металлических пленок оказалось удачной, и проведенные затем многочисленные расчеты повторяли экспериментальные картинки.

Скорее всего, успех был заложен в самом принципе, по которому строилась модель. Стандартный подход к теоретическим моделям такой, что существующие в реальности ситуации заменяются на некие упрощенные, описываемые простыми аналитическими функция зависимости, тогда как наш подход был существенно иным. Так, в основе нашей модели лежит как можно более точный учет спектра электронных состояний сверхтонкой металлической пленки. Нами был предложен и реализован оригинальный подход, состоящий в интерполяции известных из других теоретических работ данных о зонной структуре массивных образцов металлов на всю зону Бриллюэна. Процедура интерполяции, не всегда, как и положено, однозначная, все же привела нас к ожидаемому результату. Конечно же, не случайно, подбор необходимых ограничений дал в конечном итоге результат. А далее оказалось, что в численном эксперименте, имитирующем реальный эксперимент, получаемые зависимости нелинейного отклика оказались кардинально зависящими лишь от одного подгоночного параметра! И именно этот параметр -- скорость внутризонной релаксации весьма ценен в спектроскопии. Фактически, варьированием этого параметра нам и удалось получить соответствие расчетных и экспериментальных данных.

Казалось бы, работа подошла к своему завершению - эксперимент есть, модель, описывающая экспериментальные данные построена, но…. Расчет дал один непонятный на тот момент результат. Он, по большому счету, мог поставить под сомнения всю проделанную работу. Оказалось, что одни и те же образцы пленок в экспериментах с одними и теми же начальными условиями (энергией возбуждения, геометрией эксперимента и т.д.) должны были проявлять либо пара-, либо ферромагнитные свойства. И опять пришлось начинать все с начала, то есть с эксперимента. Параллельно рассматривались самые разные варианты объяснения. Так прошел год… , были перепробованы и отметены несколько весьма правдоподобных, поначалу, объяснений нашей загадки. Найти разгадку помог свежий взгляд на проблему одного из наших аспирантов -- Александра Воронова. Отбросив в сторону существующие представления, мы смело предположили, что разные магнитные свойства (парамагнитные или ферромагнитные) могут наблюдаться при одной и той же температуре. Для того, чтобы превратить ферромагнетик в парамагнетик, достаточно эффективно перемешивать ориентации спинов в соседних доменах. Эта идея как нельзя лучше ложилась на построенную теорию о роли межзонных переходов. Ведь тогда избыточные свободные носители, родившиеся вследствие межзонных переходов, способны, мигрируя по пространству, вызывать перемешивание спинов в доменах. А создавая другую пространственную структуру возбуждающего поля, можно управлять и организацией магнитных доменов в образце. Опять теоретическая модель, опять компьютерное симулирование, и спустя еще полтора года готов на этот раз уже окончательный вариант! Горы оценок, сделанных за этот период, тоже не прошли даром, и дали дополнительный материал для интересных выводов и предположений, которые возможно в дальнейшем и получат развитие.

Проделанная работа оказалась целиком в области фундаментальной физики. Однако, возможно инженеру, создающему процессоры будущего или проектирующему магнитооптическое устройство памяти или новую интегральную схему с топологическими размерами элементов менее 20 нм, понадобятся результаты наших исследований. Надеемся, что учитывая фантастическую скорость развития наноэлектроники, это время не за горами, тем более, что на днях уже объявлено о скором запуске 65-нм технологического процесса при изготовлении микросхем памяти. Основным полезным вкладом в науку оказалась разработка нового подхода при построении теоретических моделей в задачах нелинейной спектроскопии и методика выделения спектроскопической информации из данных эксперимента при помощи таких моделей. Определены времена релаксации электронного возбуждения в пленках трех различных металлов, показана преобладающая роль вкладов от межзонных электронных переходов в нелинейный отклик. Также мы показали возможность формирования регулярной метастабильной доменной структуры в сверхтонких ферромагнитных пленках Ni с помощью короткой (5--7 импульсов) последовательности пикосекундных лазерных импульсов с пространственно неоднородным распределением интенсивности.

В этой маленькой истории нет ничего удивительного, и научные искания многих и многих ученых экспериментаторов в большинстве случаев развиваются по похожей схеме. Появление конечного результата было бы невозможно при работе в одиночку. Я искренне благодарю своего научного руководителя и всех сотрудников моей лаборатории, без которой просто ничего бы не получилось.

Константин Руденко
кафедра ОФ и ВП