Fundamentele ruimtelijke grenzen van volledig optische magnetisatieschakeling

Magnetisatie kan worden geschakeld met een enkele laserpuls. Het is echter niet bekend of het onderliggende microscopische proces schaalbaar is tot op nanometerschaal, een voorwaarde om deze technologie concurrerend te maken voor toekomstige toepassingen voor gegevensopslag.

Onderzoekers van het Max Born Instituut in Berlijn, Duitsland, hebben in samenwerking met collega’s van het Instituto de Ciencia de Materiales in Madrid, Spanje, en de vrije-elektronenlaserfaciliteit FERMI in Triëst, Italië, een fundamentele ruimtelijke limiet bepaald voor door licht aangedreven magnetisatie omkering. Het papier is gepubliceerd in het journaal Nano-brieven.

Moderne magnetische harde schijven kunnen meer dan één terabit aan gegevens per vierkante inch opslaan, wat betekent dat de kleinste informatie-eenheid kan worden gecodeerd op een gebied kleiner dan 25 nanometer bij 25 nanometer. Bij op laser gebaseerd, volledig optisch schakelen (AOS) worden magnetisch gecodeerde bits met een enkele ultrakorte laserpuls tussen hun “0”- en “1”-status geschakeld. Om het volledige potentieel van AOS te realiseren, vooral in termen van snellere schrijf-/wiscycli en verbeterde energie-efficiëntie, moet worden begrepen of een magnetische bit nog steeds volledig optisch kan worden omgekeerd als de grootte ervan op nanometerschaal ligt.

Om AOS te laten plaatsvinden, moet het magnetische materiaal tot zeer hoge temperaturen worden verwarmd om de magnetisatie ervan tot bijna nul te reduceren. Alleen dan kan de magnetisatie ervan worden omgekeerd. Het bijzondere aan AOS is dat het, om magnetisch schakelen tot stand te brengen, voldoende is om alleen de elektronen van het materiaal te verwarmen, terwijl het rooster van de atoomkernen koud blijft. Dit is precies wat een optische laserpuls doet: hij heeft alleen interactie met de elektronen, waardoor veel hogere elektronentemperaturen kunnen worden bereikt met zeer lage vermogensniveaus.

Omdat hete elektronen echter zeer snel afkoelen door verstrooiing met de koude atoomkernen, moet de magnetisatie binnen deze karakteristieke tijdschaal voldoende snel worden verminderd, dwz AOS vertrouwt op een zorgvuldig evenwicht tussen de evolutie van de elektronentemperatuur en het verlies aan magnetisatie. Het is gemakkelijk in te zien dat dit evenwicht verandert wanneer de optische excitatie beperkt blijft tot de nanoschaal: nu kunnen elektronen niet alleen energie verliezen door ‘atoomkernen een schop te geven’, maar ze kunnen ook eenvoudigweg de nanometerkleine hete gebieden verlaten door te diffunderen. weg.

Omdat ze daarvoor maar een nanometerkleine afstand hoeven af ​​te leggen, gebeurt dit proces ook op ultrasnelle tijdschaal, waardoor de elektronen te snel kunnen afkoelen, de magnetisatie niet voldoende wordt verminderd en AOS kapot gaat.

Een internationaal team van onderzoekers heeft voor het eerst met succes de vraag “hoe klein werkt AOS” aangepakt door experimenten met zachte röntgenstraling te combineren met atomistische spindynamica-berekeningen. Ze produceerden een extreem kortstondig patroon van donkere en heldere strepen laserlicht op het monsteroppervlak van het prototypische magnetische materiaal GdFe, door interferentie van twee zachte röntgenlaserpulsen met een golflengte van 8,3 nm.

Hierdoor kon de afstand tussen donkere en heldere gebieden worden verkleind tot slechts 8,7 nm. Deze verlichting is slechts ongeveer 40 femtoseconden aanwezig, wat leidt tot een laterale modulatie van de warme en koude elektronentemperaturen in het GdFe met een overeenkomstig gelokaliseerd verlies aan magnetisatie.

De wetenschappers zouden dan kunnen volgen hoe dit patroon zich ontwikkelt op de zeer korte tijdschalen die van belang zijn. Met dit doel voor ogen werd een derde zachte röntgenpuls met dezelfde golflengte van 8,3 nm afgebogen van het voorbijgaande magnetisatiepatroon met verschillende tijdsvertragingen ten opzichte van de patroongenererende pulsen.

Op deze specifieke golflengte zorgt een elektronische resonantie bij de gadoliniumatomen ervoor dat de zachte röntgenpuls de aanwezigheid van magnetisatie kan “voelen” en dus kan de verandering van de magnetisatie worden gedetecteerd met een femtoseconde temporele en sub-nanometer ruimtelijke resolutie. Door de experimentele resultaten te combineren met state-of-the-art simulaties konden de onderzoekers het ultrasnelle energietransport op nanometerschaal bepalen.

Het blijkt dat de minimale grootte voor AOS in GdFe-legeringen, geïnduceerd door periodieke excitatie op nanoschaal, ongeveer 25 nm bedraagt. Deze limiet is te wijten aan de ultrasnelle laterale elektronendiffusie, die de verlichte gebieden op deze kleine lengteschalen snel afkoelt en uiteindelijk AOS voorkomt.

De snellere afkoeling als gevolg van elektronendiffusie kan tot op zekere hoogte worden gecompenseerd door het excitatievermogen te vergroten, maar deze aanpak wordt uiteindelijk beperkt door de structurele schade veroorzaakt door de intense laserstraal. De onderzoekers verwachten dat de 25 nm-grens vrij universeel is voor alle metallische magnetische materialen.