Een internationaal team van natuurkundigen van de Universiteit van Bielefeld, Universiteit van Uppsala, de Universiteit van Straatsburg, Universiteit van Shanghai voor Wetenschap en Technologie, Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek, ETH Zürich, en de Vrije Universiteit Berlijn hebben een nauwkeurige methode ontwikkeld om de ultrasnelle verandering van een magnetische toestand in materialen te meten. Ze doen dit door de emissie van terahertz-straling te observeren die noodzakelijkerwijs gepaard gaat met een dergelijke magnetisatieverandering. hun studie, getiteld "Ultrasnelle terahertz-magnetometrie, " wordt vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Magnetische geheugens krijgen niet alleen een steeds grotere capaciteit door de grootte van magnetische bits te verkleinen, ze worden ook steeds sneller. In principe, de magnetische bit kan worden omgedraaid, dat wil zeggen, het kan zijn status veranderen van één naar nul of vice versa - op een extreem snelle tijdschaal van korter dan één picoseconde. Eén picoseconde (1 ps =10 ^-12 s) is een miljoenste van een miljoenste van een seconde. Dit zou de werking van magnetische geheugens bij terahertz mogelijk maken (1 THz =1 x 10 ¹² hertz) schakelfrequenties, overeenkomend met extreem hoge terabit per seconde (Tbit/s) datasnelheden.

"De werkelijke uitdaging is om zo'n magnetisatieverandering snel en gevoelig genoeg te detecteren, " legt Dr. Dmitry Turchinovich uit, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Bielefeld en de leider van deze studie. "De bestaande methoden van ultrasnelle magnetometrie lijden allemaal aan bepaalde belangrijke nadelen, zoals:bijvoorbeeld, werking alleen onder ultrahoog vacuüm, het onvermogen om te meten op ingekapselde materialen, enzovoort. Ons idee was om het basisprincipe van de elektrodynamica te gebruiken. Hierin staat dat een verandering in de magnetisatie van een materiaal moet resulteren in de emissie van elektromagnetische straling die de volledige informatie over deze magnetisatieverandering bevat. Als de magnetisatie in een materiaal verandert op een picoseconde tijdschaal, dan zal de uitgezonden straling tot het terahertz frequentiebereik behoren. Het probleem is, dat deze straling, bekend als 'magnetische dipoolemissie, ' is erg zwak, en kan gemakkelijk worden verduisterd door lichtemissie van andere oorsprong."

Wentao Zhang, een doctoraat student in het lab van professor Dmitry Turchinovich, en de eerste auteur van het gepubliceerde artikel zegt:"Het kostte ons tijd, maar uiteindelijk zijn we erin geslaagd om precies deze magnetische dipool terahertz-emissie te isoleren, waardoor we op betrouwbare wijze de ultrasnelle magnetisatiedynamiek in onze monsters konden reconstrueren:ingekapselde ijzeren nanofilms."

In hun experimenten, stuurden de onderzoekers zeer korte pulsen laserlicht op de ijzeren nanofilms, waardoor ze zeer snel demagnetiseren. Tegelijkertijd, ze verzamelden het terahertz-licht dat werd uitgestraald tijdens zo'n demagnetisatieproces. De analyse van deze terahertz-emissie leverde de precieze temporele evolutie van een magnetische toestand in de ijzerfilm op.

"Toen onze analyse klaar was, realiseerden we ons dat we eigenlijk veel meer zagen dan we hadden verwacht, " vervolgt Dmitry Turchinovich. "Het is al enige tijd bekend dat ijzer zeer snel kan demagnetiseren wanneer het wordt verlicht door laserlicht. Maar wat we ook zagen was een redelijk kleine, maar een heel duidelijk extra signaal in de magnetisatiedynamiek. Dit heeft ons allemaal erg enthousiast gemaakt. Dit signaal kwam van de demagnetisatie in ijzer - feitelijk aangedreven door de voortplanting van een zeer snelle geluidspuls door ons monster. Waar kwam dit geluid vandaan? Heel eenvoudig:toen de ijzerfilm het laserlicht absorbeerde, het demagnetiseerde niet alleen, het werd ook heet. Zoals we weten, de meeste materialen zetten uit als ze heet worden - en deze uitzetting van de ijzeren nanofilm veroorzaakte een puls van terahertz-echografie in onze monsterstructuur. Deze geluidspuls kaatste heen en weer tussen de samplegrenzen, intern en extern, als de echo tussen de muren van een grote zaal. En elke keer dat deze echo door de ijzeren nanofilm ging, de druk van het geluid bewoog de ijzeratomen een beetje, en dit verzwakte het magnetisme in het materiaal verder." Dit effect is nog nooit eerder waargenomen op zo'n ultrasnelle tijdschaal.

"We zijn erg blij dat we dit akoestisch aangedreven ultrasnelle magnetisatiesignaal zo duidelijk konden zien, en dat het zo relatief sterk was. Het was verbazingwekkend dat het detecteren met THz-straling, die een golflengte van minder dan mm heeft, zo goed gewerkt, omdat de uitzetting in de ijzerfilm slechts tientallen femtometers is (1 fm =10 ^-15 m) die tien ordes van grootte kleiner is, " zegt Dr. Peter M. Oppeneer, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Uppsala, die het theoretische gedeelte van dit onderzoek leidde. Dr. Pablo Maldonado, een collega van Peter M. Oppeneer die de numerieke berekeningen uitvoerde die cruciaal waren voor het verklaren van de waarnemingen in dit werk, voegt toe:"Wat ik buitengewoon opwindend vind, is een bijna perfecte match tussen de experimentele gegevens en onze theoretische berekeningen op basis van de eerste beginselen. Dit bevestigt dat onze experimentele methode van ultrasnelle terahertz-magnetometrie inderdaad zeer nauwkeurig en ook gevoelig genoeg is, omdat we een duidelijk onderscheid konden maken tussen de ultrasnelle magnetische signalen van verschillende oorsprong:elektronisch en akoestisch."

De overige co-auteurs van deze publicatie hebben het opgedragen aan de nagedachtenis van hun collega en een pionier op het gebied van ultrasnel magnetisme, Dr. Eric Beaurepaire van de Universiteit van Straatsburg. Hij was een van de initiatiefnemers van deze studie, maar stierf in zijn laatste fase.