Jak wyjaśnia prof. Maziewski, kierownik Zakładu Fizyki Magnetyków na białostockiej uczelni, każdy spotyka się w otaczającym nas świecie z różnego typu falami i ze zjawiskami z nimi związanymi, np. ze wzbudzeniem i z propagacją fal na wodzie. W magnetykach można również wzbudzać magnetyzację do drgań np. zmiennym prądem elektrycznym, impulsami prądu elektrycznego w przewodniku lub, jak odkryto ostatnio, impulsami światła. Wzbudzenia magnetyzacji poruszają się w magnetyku w postaci fal namagnesowania, tzw. fal spinowych –, magnonów. I właśnie wzbudzenia magnetyzacji i propagacja fal spinowych były badane w projekcie. Obiektem badań stały się tak zwane kryształy magnoniczne, czyli w uproszczeniu: materiały o przestrzennie periodycznie zmieniających się właściwościach. Najczęściej bada się obecnie jedno– lub dwuwymiarowe kryształy uzyskane poprzez strukturyzację w płaszczyźnie. Naukowcy zajmowali się również nowymi metodami strukturyzacji i analizowali efekty odpowiedzialne za strukturyzacje.

Zgodnie z założeniem projektu na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku powstał międzynarodowy zespół badawczy. Kierownik projektu, prof. Maziewski, podkreśla, że zainteresowanie tematyką badań wśród naukowców z zagranicy było duże. Po konkursowej selekcji w ramach projektu zatrudnionych zostało 15 młodych stypendystów (z Białegostoku i Poznania oraz z Pakistanu, Rosji i Ukrainy), w tym 8 magistrantów, 4 doktorantów i 3 naukowców po doktoracie. W realizację zadań projektowych zaangażowanych było jednak łącznie około stu osób.

Podstawowy zespół stanowili pracownicy Zakładu Fizyki Magnetyków UwB i dziewięcioro stypendystów TEAM, prowadzących badania w Białymstoku. Ważnym wzmocnieniem ich działalności była współpraca z innymi ośrodkami w kraju i za granicą. W Polsce zespół prof. Andrzeja Maziewskiego kooperował z trzema zespołami współtworzącymi konsorcjum naukowe pod nazwą Krajowe Centrum Nanostruktur Magnetycznych do Zastosowań w Elektronice Spinowej SPINLAB. Dwa z nich – jeden kierowany przez prof. Andrzeja Wawro z IF PAN, a drugi – przez prof. Feliksa Stobieckiego z IFM PAN – specjalizują się w nanotechnologii w wytwarzaniu i modyfikacji nanostruktur. Trzeci zespół, pracujący pod kierunkiem prof. Macieja Krawczyka z UAM, zajmuje się modelowaniem kryształów magnonicznych. Także w tych zespołach zatrudnieni byli stypendyści TEAM – 5 pięciu studentów i doktorant.

W projekt było też zaangażowanych 6 ośrodków zagranicznych z Francji, Holandii, Niemiec, Czech i Szwajcarii. Białostoccy fizycy mieli już okazję z nimi współpracować przy realizacji wcześniejszych wspólnych projektów. Istotne dodatkowe wsparcie zespół TEAM otrzymał również z innych ośrodków: z Singapuru od prof. Adekunle Adeyeye (światowego lidera w wytwarzaniu i badaniu struktur magnonicznych), z Japonii od prof. Takuya Satoh (pioniera w badaniach wzbudzeń światłem fal spinowych w granatach) i z Białorusi od dr. Alexandra Stognija, który strukturyzował warstwy granatów, zmieniając w określony przez białostockich badaczy sposób ich grubość oraz nanosząc odpowiednie nanostruktury metaliczne.

Dokonania zespołu

Zespół TEAM zbadał wpływ bombardowania jonami na magnetyczne uporządkowanie nanostruktur kobaltu. Jak się okazało, zwiększając dozę jonów można kolejno nieodwracalnie zmieniać uporządkowanie magnetyczne od namagnesowania w płaszczyźnie warstwy do prostopadłego do płaszczyzny i ponownie do prostopadłego. Podobne efekty modyfikacji właściwości magnetycznych kobaltu zaobserwowano stosując odpowiednio silne impulsy laserowe.

Jeden z doktorantów, w trakcie bezpośredniej współpracy ze swoim promotorem dr. hab. Ryszardem Gieniuszem, zbadał także wpływ bombardowania jonami na możliwości wytwarzania uporządkowania ferromagnetycznego w paramagnetycznej warstwie FeAl. Zmieniając energię jonów, można zmieniać grubość warstwy ferromagnetycznej oraz jej magnetyczne właściwości statyczne i dynamiczne.

Badacze wykorzystali bombardowanie jonami do strukturyzacji magnetycznych warstw metalicznych. Strukturyzowane warstwy metaliczne mogą być wykorzystane np. w nowych generacjach pamięci komputerowych, urządzeniach spintronicznych.

W kryształach magnonicznych wytworzonych w Singapurze fizycy zbadali wpływ geometrii strukturyzacji warstw permaloju (dwuwymiarowych kryształów magnonicznych) na anizotropię procesów przemagnesowania oraz na dynamikę wzbudzenia magnetyzacji. Poznański zespół z UAM opisał, z wykorzystaniem symulacji mikromagnetycznych, wyniki uzyskane przez białostockich badaczy.

Zespół TEAM zbadał również ciekawe właściwości przełączania stanu magnetycznego (od konfiguracji typu ferromagnetycznej do antyferromagnetycznej) w jednowymiarowym krysztale magnonicznym, wytworzonym w Rossendorfie (Niemcy) poprzez naświetlanie jonami nanostruktur FeAl. Dużym osiągnięciem trzech zespołów SPINLAB (IFM PAN, IF PAN i UwB) była kompleksowa praca polegająca na wytworzeniu z submikronową precyzją nanostruktur typu sieci kagome – lodu spinowego oraz zbadaniu i zamodelowaniu właściwości dynamicznych magnetyzacji w tych sieciach.

Kolejny doktorant z promotorem prof. Andrzejem Stupakiewiczem i stażystą po doktoracie wykorzystywali w badaniach niezwykłe możliwości laserów generujących femtosekundowe impulsy światła. Pojedynczy impuls światła działał jako „superszybki magnes” na zasadzie optomagnetycznego zjawiska, tzw. odwrotnego efektu Faradaya, niedawno eksperymentalnie odkrytego. Do badania ultraszybkiej dynamiki magnetyzacji fizycy zastosowali dwuimpulsową technikę pompa-sonda, wykorzystującą impulsy lasera femtosekundowego. Pierwszy impuls „pompował”, –czyli pobudzał magnetyzację do drgań, drugi impuls, precyzyjnie opóźniony w czasie, był wykorzystywany do detekcji zmian magnetyzacji. Technika ta daje wspaniałe, nieosiągalne obecnie innymi metodami możliwości badań wzbudzeń magnetyzacji w bardzo szerokim zakresie częstotliwości: – od megaherców do teraherców. Badania zespołu TEAM zostały przeprowadzone na próbkach dielektryków ferrimagnetycznych, rokujących nadzieje na wykorzystanie w superszybkich pamięciach magnetycznych oraz optycznych modulatorach. Część tych próbek została wykonana w Japonii. W wyniku badań naukowcy zaobserwowali szereg niezwykle ciekawych zjawisk, polegających na generowaniu drgań magnetyzacji o częstotliwościach: (ia) gigahercowych związanych z powstałymi falami spinowymi oraz (iib) terahercowych, wyjaśnianych jako wzbudzenie magnetycznego rezonansu oddziaływania wymiany pomiędzy magnetycznymi podsieciami w badanych próbkach. Po raz pierwszy zaobserwowano tak szeroki zakres częstości wzbudzanych drgań magnetyzacji, które mają tę dodatkową zaletę, że faza tych drgań może być sterowana za pomocą polaryzacji impulsów laserowych.

Do badania propagacji fal spinowych badacze wykorzystali unikatową technikę spektrometrii rozpraszania światła Brillouina (BLS) z rozdzielczością czasowo-przestrzenną, która umożliwia czasową i przestrzenną wizualizację wzbudzeń magnetyzacji, propagacji fal spinowych. W strukturyzowanych warstwach granatów zaobserwowano między innymi efekt dyfrakcji fal spinowych na pojedynczym otworze oraz efekt całkowitego wewnętrznego odbicia na linii otworków. Ten ostatni efekt umożliwia wytworzenie wiązki fali spinowej o dużej intensywności, poruszającej się wzdłuż linii otworków (konieczna jest przy tym odpowiednia konfiguracja kierunku propagacji, linii otworów i orientacji zewnętrznego pola magnetycznego).

Sukces projektu

Wyniki badań stypendystów TEAM i współpracujących z nimi osób posłużyły do przygotowania 31 już opublikowanych lub przyjętych do druku w prestiżowych czasopismach prac, przygotowanych przez 82 współautorów (w tym 33 krajowych i 49 zagranicznych). Kilkanaście następnych publikacji jest przygotowywanych. Efekty badań były też prezentowane na międzynarodowych konferencjach naukowych (67 prezentacji, w tym 30 typu „oral” lub „invited”). Owocem projektu jest ponadto 6 sześć rozpraw doktorskich, w tym pięć prac przygotowanych w Białymstoku, a jedna w Warszawie. Siódmy doktorant TEAM otworzył przewód doktorski. Na podstawie projektowych badań przygotowana została także jedna rozprawa habilitacyjna. Wyniki badań będą wykorzystane również do przygotowania czterech wystąpień o tytuły profesorskie.

O powodzeniu projektu świadczą też losy jego stypendystów. Ośmioro studentów obroniło swoje prace magisterskie, a pięcioro z nich podjęło studia doktoranckie w IFM PAN, UAM i w UwB. Trzech doktorantów obroniło już swoje prace doktorskie. Jeden z nich kontynuuje badania z wykorzystaniem spektrometrii BLS w nowym, uruchamianym obecnie laboratorium w Rosji, drugi otrzymał stanowisko adiunkta w Pakistanie, trzeci stanowisko “„postdocpostdoc” w Swiss Light Source SLS, Paul Scherrer Institut, Villigen w Szwajcarii. Jeden z „postdocówpostdoków” realizuje projekt FUGA w Krakowie przy uruchamianym obecnie synchrotronie SOLARIS (został zatrudniony w Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. J. Habera PAN, będzie wykorzystywał mikroskop PEEM zakupiony w ramach realizacji projektu SPINLAB). Dwaj pozostali kontynuują pracę naukową na Uniwersytecie w Białymstoku.

Sukces projektu – począwszy od zdobycia dofinansowania z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, a skończywszy na jego efektach badawczych i tych związanych z rozwojem kadry – nie byłby możliwy, gdyby nie ogromne doświadczenie białostockich fizyków pracujących pod kierunkiem prof. Andrzeja Maziewskiego oraz wykorzystanie nowoczesnego wyposażenia laboratoriów. Nanomagnetyzmem zajmują się od przeszło 20 lat. Uczestniczyli już w wielu projektach, – także międzynarodowych. Do najważniejszych należy realizowany w latach 2004-2009 projekt „Combined study of nanostructured magnetic materials (NANOMAG-LAB)”, finansowany z Sixth Framework Programme of the EU Marie Curie Action. Prof. A. Maziewski z UwB był jego koordynatorem. Kolejnym ważnym doświadczeniem był udział w realizacji projektu FP7 MC ITN „FANTOMAS – Femtosecond opto-magnetism and novel approaches to ultrafast magnetism at the nanoscale” (2008-2012). To przedsięwzięcie badawcze było koordynowane przez prof. Theo Raisinga z Uniwersytetu w Nijmegen w Holandii. Białostoccy badacze zostali zaproszeni do badania ultraszybkich procesów z wykorzystaniem laserów femtosekundowych.

Udział w projektach i pozyskiwane przez pracowników Zakładu Fizyki Magnetyków UwB granty sprawiły też, że wydział wzbogacił się o unikatową w skali europejskiej aparaturę (zakupioną głównie w ramach konsorcjum SPINLAB oraz z grantów MNiSW) do prowadzenia badań magnetycznych nanostruktur i ultraszybkich procesów. To nowoczesne, warte kilkanaście milionów złotych laboratoria do komplementarnych badań z wykorzystaniem femtosekundowych impulsów światła, spektrometrii BLS i magnetooptycznej mikroskopii.