Esplora a fondo i limiti della commutazione della magnetizzazione ottica

I ricercatori dell’Istituto Max Born di Berlino, in Germania, in collaborazione con i colleghi dell’Istituto di scienza dei materiali di Madrid, in Spagna, e del FERMI Free Electron Laser Facility di Trieste, in Italia, hanno identificato un limite spaziale fondamentale per la radiazione guidata dalla luce. Magnetizzazione inversa.

I moderni dischi rigidi magnetici possono memorizzare più di un terabyte di dati per pollice quadrato, il che significa che la più piccola unità di informazione può essere codificata su un’area inferiore a 25 nanometri per 25 nanometri. Nella commutazione completamente ottica basata su laser, i bit codificati magneticamente vengono commutati tra gli stati “0” e “1” con un impulso laser ultrabreve. Per realizzare tutto il potenziale della commutazione completamente ottica, soprattutto in termini di cicli di scrittura/cancellazione più rapidi e di migliore efficienza energetica, dobbiamo capire se un bit magnetico può essere completamente invertito otticamente se le sue dimensioni sono su scala nanometrica.

Affinché si verifichi l’AOS, il materiale magnetico deve essere riscaldato a temperature molto elevate fino a quando la sua magnetizzazione non viene ridotta quasi allo zero. Solo allora la sua magnetizzazione potrà essere invertita. La svolta nell’AOS è che per mediare la commutazione magnetica è sufficiente riscaldare solo gli elettroni del materiale lasciando freddo il reticolo dei nuclei atomici. Questo è esattamente ciò che fa un impulso laser ottico: interagisce solo con gli elettroni, consentendo agli elettroni di raggiungere temperature molto più elevate a livelli energetici molto bassi. Tuttavia, poiché gli elettroni caldi si raffreddano molto rapidamente diffondendosi con nuclei atomici freddi, la magnetizzazione deve essere ridotta abbastanza rapidamente su questa scala temporale caratteristica, cioè l’AOS dipende da un delicato equilibrio tra l’evoluzione della temperatura degli elettroni e la perdita di magnetizzazione. È facile vedere che questo equilibrio cambia quando l’eccitazione ottica è limitata alla nanoscala: ora gli elettroni non solo possono perdere energia “dando un impulso ai nuclei atomici”, ma possono anche semplicemente lasciare punti caldi nanometrici per diffusione. lontano. Poiché per farlo devono percorrere solo una distanza nanometrica, questi processi avvengono anche su una scala temporale ultraveloce, in modo tale che gli elettroni potrebbero raffreddarsi troppo rapidamente, la magnetizzazione non diminuisce abbastanza e l’AOS collassa.

Un team internazionale di ricercatori è riuscito per la prima volta ad affrontare la questione di “quanto piccolo funziona l’AOS” combinando esperimenti con raggi X molli e calcoli della dinamica dello spin atomico. Hanno prodotto uno schema di linee scure e luminose di luce laser estremamente di breve durata sulla superficie di un campione del tipico materiale magnetico GdFe, interferendo con due impulsi laser a raggi X morbidi con una lunghezza d’onda di 8,3 nanometri. Ciò ha consentito di ridurre la distanza tra le aree scure e quelle luminose a soli 8,7 nm. Questa illuminazione è presente solo per circa 40 femtosecondi, portando ad una modulazione laterale delle temperature degli elettroni caldi e freddi in GdFe con una perdita di magnetizzazione localizzata simile. Gli scienziati possono quindi seguire come si evolve questo modello su scale temporali molto brevi. A tal fine, un terzo impulso di raggi X molli con la stessa lunghezza d’onda di 8,3 nm è stato diffratto dal modello di magnetizzazione transitoria con ritardi temporali diversi dagli impulsi generatori di crepitio. A questa specifica lunghezza d’onda, la risonanza elettronica negli atomi di gadolinio consente all’impulso di raggi X molli di “rilevare” la presenza di magnetizzazione e quindi il cambiamento di magnetizzazione può essere rilevato con risoluzione temporale, femtosecondo e spaziale sub-nanometrica. Combinando i risultati sperimentali con simulazioni recenti, i ricercatori sono stati in grado di determinare il trasferimento di energia ultraveloce su scala nanometrica. Risulta che la dimensione minima dell’AOS nelle leghe GdFe, indotta dall’eccitazione periodica su scala nanometrica, è di circa 25 nm. Questo limite è dovuto alla diffusione laterale ultraveloce degli elettroni, che raffredda rapidamente le regioni luminose su scale di lunghezza così piccole e alla fine impedisce l’AOS. Il raffreddamento più rapido derivante dalla diffusione degli elettroni può essere compensato in una certa misura aumentando la potenza di eccitazione, ma questo approccio è in definitiva limitato dal danno strutturale causato dall’intenso raggio laser. I ricercatori si aspettano che il limite di 25 nm sia abbastanza universale per tutti i materiali magnetici metallici.