De toekomstige ontwikkeling van functionele magnetische apparaten op basis van ultrasnelle optische manipulatie van spins vereist een goed begrip van de diepteafhankelijke spindynamiek over de interfaces van complexe magnetische heterostructuren. Een nieuwe techniek om zo'n "diepgaand" en in de tijd opgelost beeld van de magnetisatie te verkrijgen, is nu gedemonstreerd in het Max Born Institute in Berlijn, waarbij breedband femtoseconde zachte röntgenpulsen worden gebruikt om de voorbijgaande evolutie van magnetisatiediepteprofielen binnen een magnetisch dunne film systeem.

In de huidige informatietechnologie bestaan ​​functionele magnetische apparaten doorgaans uit stapels dunne lagen magnetische en niet-magnetische materialen, elk slechts ongeveer een nanometer dik. De stapeling, de keuze van atoomsoorten en de resulterende interfaces tussen de lagen zijn de sleutel tot de specifieke functie, bijvoorbeeld zoals gerealiseerd in de gigantische magnetoweerstand leeskoppen in alle magnetische harde schijven. De afgelopen jaren is aangetoond dat ultrakorte laserpulsen tot in het femtoseconde bereik (1 femtoseconde =10 ^-15 s) kan de magnetisatie in een materiaal effectief en zeer snel manipuleren, waardoor een tijdelijke verandering of zelfs permanente omkering van de magnetisatietoestand mogelijk wordt. Hoewel deze effecten voornamelijk zijn bestudeerd in eenvoudige modelsystemen, zullen toekomstige toepassingen begrip van de magnetisatiedynamiek in complexere structuren met heterogeniteit op nanometerschaal vereisen.

Onderzoekers van het Max Born Institute in Berlijn hebben samen met hun collega's van het Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften en Helmholtz-Zentrum Berlin nu een nieuwe techniek gedemonstreerd die het mogelijk maakt om de ruimtelijke en temporele evolutie van laser-geïnduceerde spindynamica binnen een complex op te lossen. magnetische heterostructuur op de femto- en picoseconde tijdschaal. Met behulp van ultrakorte zachte röntgenpulsen met een golflengte van ongeveer 8 nanometer, gegenereerd door een breedbandbron op laboratoriumschaal op basis van High-Harmonic-Generation (HHG), waren ze in staat om het magnetisatiediepteprofiel te volgen dat zich ontwikkelt binnen een 10 nanometer dun ferrimagnetisch ijzer- gadolinium (FeGd) laag nadat het werd geraakt door een femtoseconde infrarood (IR) laserpuls. De basisgevoeligheid voor de magnetisatie komt voort uit het transversale magneto-optische Kerr-effect (T-MOKE) dat leidt tot een magnetisatie-afhankelijke reflectiviteit in combinatie met elementspecifiek. Om diepte-informatie binnen de structuur te verkrijgen, ontwikkelde het team de volgende benadering:wanneer de golflengte van de straling dicht bij een atomaire resonantie ligt, verandert de penetratiediepte in het materiaal sterk. Hoe ver bepaalde spectrale componenten van de breedband zachte röntgenpuls in het materiaal kunnen "kijken" hangt dus af van hun exacte golflengte. Bijgevolg kan deze diepte-informatie worden teruggevonden via de spectrale veranderingen die na reflectie worden waargenomen. Het magnetisatieprofiel op elk tijdstip wordt bepaald door de gemeten T-MOKE-spectra te fitten met berekende spectra die zijn verkregen uit magnetische verstrooiingssimulaties.

In het experiment viel de 27 femtoseconde korte IR-laserpuls die de veranderingen in de magnetisatie veroorzaakte op de tantaallaag die de eigenlijke magnetische FeGd-laag bedekte. In de eerste paar honderden femtoseconden werd een homogene demagnetisatie van de FeGd-laag waargenomen. Tot hun verbazing ontdekten de wetenschappers echter dat op latere tijdstippen van ongeveer één picoseconde, de vermindering van de magnetisatie als gevolg van de laserpuls het sterkst was aan de kant van de FeGd-laag die niet naar de invallende laserpuls was gericht. Tijdelijk vormt zich een inhomogeen magnetisatieprofiel, als gevolg van verbeterde demagnetisatie op het grensvlak naar de dunne platinalaag eronder. Op basis van de tijdschaal van de evoluerende magnetisatiegradiënt konden de verantwoordelijke microscopische processen worden geïdentificeerd:In tegenstelling tot de aanvankelijke verwachtingen, zou een significante invloed als gevolg van ultrasnelle spintransportfenomenen over het grensvlak kunnen worden uitgesloten, aangezien dit zou leiden tot magnetisatiegradiënten die al binnen de eerste honderden femtoseconden. In plaats daarvan ontstaat het waargenomen effect als gevolg van warmte-injectie van de begraven platinalaag in de magnetische laag. Het platina absorbeert de IR-laserpuls veel sterker dan de andere lagen in de heterostructuur en fungeert daarom als een gelokaliseerde interne warmtebron.

De door de onderzoekers gedemonstreerde aanpak maakt het mogelijk om de evolutie van magnetisatieprofielen te volgen met femtoseconde temporele en nanometer ruimtelijke resolutie binnen de tot nu toe moeilijk toegankelijke diepte van een monster. Thus, it paves a way to testing fundamental theoretical predictions in ultrafast magnetism as well as studying laser-induced spin and heat transport phenomena in device-relevant geometries.

The research was published in Physical Review Research . + Verder verkennen

All-optical switching on a nanometer scale