Ultrasnelle lichtgestuurde controle van magnetisatie op de nanometer-lengteschaal is de sleutel om concurrerende bitgroottes te bereiken in de volgende generatie gegevensopslagtechnologie. Onderzoekers van het Max Born Instituut in Berlijn en van de grootschalige faciliteit Elettra in Triëst, Italië, hebben met succes de ultrasnelle opkomst van volledig optische schakeling aangetoond door een rooster op nanometerschaal te genereren door interferentie van twee pulsen in het extreem ultraviolette spectrale bereik.

De fysica van optisch aangedreven magnetisatiedynamica op de femtoseconde tijdschaal is om twee hoofdredenen van groot belang:ten eerste voor een dieper begrip van de fundamentele mechanismen van niet-evenwicht, ultrasnelle spindynamica en ten tweede voor de mogelijke toepassing in de volgende generatie van informatietechnologie met een visie om te voldoen aan de behoefte aan zowel snellere als energiezuinigere apparaten voor gegevensopslag.

All-optical switching (AOS) is een van de meest interessante en veelbelovende mechanismen voor dit streven, waarbij de magnetisatietoestand tussen twee richtingen kan worden omgekeerd met een enkele femtoseconde laserpuls, die dienst doet als "0s" en "1s". Hoewel het begrip van de temporele controle van AOS snel is gevorderd, is de kennis over ultrasnelle transportfenomenen op nanoschaal, belangrijk voor de realisatie van volledig optische magnetische omkering in technologische toepassingen, beperkt gebleven vanwege de golflengtebeperkingen van optische straling. Een elegante manier om deze beperkingen te overwinnen, is door de golflengten te verminderen tot het extreem ultraviolette (XUV) spectrale bereik in transiënte roosterexperimenten. Deze techniek is gebaseerd op de interferentie van twee XUV-stralen die leiden tot een excitatiepatroon op nanoschaal en is ontwikkeld bij de EIS-Timer-bundellijn van de vrije-elektronenlaser (FEL) FERMI in Triëst, Italië.

Nu hebben onderzoekers van het Max-Born-Instituut, Berlijn en de FEL-faciliteit FERMI een transiënt magnetisch rooster (TMG) opgewekt met een periodiciteit van ΛTMG =87 nm in een monster van een ferrimagnetische GdFe-legering. De ruimtelijke evolutie van het magnetisatierooster werd onderzocht door een tijdvertraagde, derde XUV-puls te buigen die was afgestemd op de Gd N-rand bij een golflengte van 8,3 nm (150 eV). Aangezien AOS een sterk niet-lineaire respons op de excitatie vertoont, verwacht men karakteristieke symmetrieveranderingen van het evoluerende magnetische rooster, verschillend van het initiële sinusoïdale excitatiepatroon. Deze informatie wordt direct gecodeerd in het diffractiepatroon:in het geval van een lineaire magnetisatierespons op de excitatie en geen AOS, wordt een sinusoïdale TMG geïnduceerd en wordt de tweede diffractieorde onderdrukt. Als AOS echter optreedt, verandert de vorm van het rooster, waardoor een uitgesproken tweede-orde diffractie-intensiteit mogelijk is. Met andere woorden, de onderzoekers identificeerden de intensiteitsverhouding tussen de tweede en eerste orde (R21) als een vingerafdruk die waarneembaar is voor AOS in diffractie-experimenten.

In de bovenstaande afbeelding tonen a) en b) de temporele evolutie van respectievelijk de afgebogen eerste en tweede orde intensiteiten. De onderzoekers vinden vergelijkbare vervaltijden van τRE,first =(81 ± 7) ps en τRE,second =(90 ± 24) ps, consistent met laterale warmtediffusiesnelheden van de roosters op nanoschaal. c), toont de verhouding R21 als functie van de excitatiefluïditeit bij een constante pomp-sondevertraging van 50 ps. Voor een lage fluentie onder de drempel van AOS observeerde het onderzoeksteam een ​​constante en kleine waarde van R21 van ongeveer 1%. Door de excitatie te verhogen, vertoont R21 echter een gestage stijging tot ~ 8%, wat het eerste bewijs levert voor AOS op de nanometer-lengteschaal. De verhouding R21 als functie van de tijd is weergegeven in d) voor twee geselecteerde excitatie-invloeden. Voor de grotere fluentie (rode cirkels) vertoont R21 een verhoogde en constante verhouding van ongeveer 6% over het gemeten tijdsinterval van 150 ps, ​​wat wijst op een stabiele magnetische structuur, die wordt geïnterpreteerd als optisch omgekeerde domeinen, d.w.z. AOS. Ten slotte konden de onderzoekers hun waarnemingen bevestigen door complementaire volledig optische metingen in de echte ruimte met behulp van tijdsopgeloste Faraday-microscopie.

In toekomstige transiënte roosterexperimenten met aanzienlijk kleinere periodiciteiten tot <20 nm, wordt verwacht dat ultrasnelle laterale transportprocessen de excitatiegradiënten binnen enkele picoseconden in evenwicht zullen brengen en daarom de fundamentele ruimtelijke limieten van AOS zullen definiëren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nano Letters . + Verder verkennen

Inzicht in de snelle opkomst van magnetisatie