Le domaine du magnétisme ultrarapé explore comment les éclairs de lumière peuvent manipuler la magnétisation d'un matériau en milliards de secondes de seconde. Dans le processus appelé commutation entièrement optique (AOS), une seule impulsion laser de plusieurs fémtosecondes (≈10-15 secondes) Durée retourne de minuscules régions magnétiques sans avoir besoin d'un champ magnétique appliqué à l'extérieur.
Permettre à un tel contrôle ultra-rapide sur la magnétisation, des ordres de grandeur plus rapidement que ce qui peut être réalisé en utilisant une tête de lecture / écriture à base magnétique conventionnelle comme dans un disque dur magnétique, AOS est un candidat prometteur pour de nouveaux dispositifs spintroniques qui utilisent des spins magnétiques avec leurs moments magnétiques associés comme porteurs d'informations. Ces dispositifs se composent généralement d'une pile de matériaux minces nanométriques, le matériau magnétique réel étant l'un d'entre eux.
Jusqu'à présent, le processus de commutation était censé se produire uniformément dans le matériau magnétique partout où l'impulsion laser dépose une quantité suffisante d'énergie. Dans une étude récemment publiée dans Communications de la naturedes chercheurs du Max Born Institute avec des collaborateurs de Berlin et de Nancy ont révélé que ce n'était pas le cas. Au lieu de cela, il y a une propagation ultrarapide d'une limite d'aimantation dans la profondeur du matériau.
En combinant l'excitation infrarouge ultrassement (IR) avec une spectroscopie à rayons soft-x-radial de la table de table, les scientifiques ont étudié un film de gadolinium mince de gadolinium (GDCO) de 9,4 nm dans une pile typique avec des couches de platine et de cuivre sur le dessus et une couche de tantalum en dessous. En utilisant des rayons X à large bande réglés sur une résonance atomique du GD de l'atome de terres rares, ils ont appliqué une technique récemment développée à MBI qui permet les changements de magnétisation suivants le long de la profondeur de l'échantillon dans le temps. Le résultat est un film de l'aimantation au fur et à mesure qu'il évolue le long de la profondeur du film, avec une résolution temporelle fémtoseconde.
Dans ce film, les chercheurs ont pu observer ce qui avait été caché jusqu'à présent: immédiatement après l'arrivée de l'impulsion infrarouge de 27 fs durée, toute la couche GDCO se réchauffe et sa magnétisation tombe presque uniformément, conformément à la pensée conventionnelle.
Mais après deux picosecondes, deux domaines de l'aimantation opposée apparaissent: la région supérieure – recevant un stimulus supplémentaire de la couche de platine plus fortement chauffée au-dessus du GDCO – flips en premier, tandis que la direction de l'aimantation en bas reste inchangée. Une frontière entre ces deux domaines est formée et se propage par la suite vers le bas à environ 2 000 m / s, balayant toute la couche GDCO dans environ 4,5 ps.
En particulier, seule la tranche de surface du GDCO est initialement excitée suffisamment forte pour surmonter le seuil requis pour AOS; Néanmoins, la commutation réussit alors que le reste du film suit en raison de la frontière de propagation.
Cette découverte oblige une repensée d'AOS en tant que combinaison de processus locaux et non locaux, ce qui remet en question la compréhension actuelle du processus par les modèles théoriques établis. La frontière mobile, éventuellement entraînée par une combinaison d'échange de mumentum angulaire entre les régions commutées et non commutées et les gradients thermiques à travers l'hétérostructure établie sur une échelle de temps ultrassement, détermine finalement à la fois la vitesse de commutation et l'état magnétique final.
Dans l'attente, ces informations ouvrent de nouvelles itinéraires pour concevoir des dispositifs magnétiques à la lumière. En choisissant différentes couches environnantes en plus de modifier l'épaisseur et la composition du film, on peut contrôler où les frontières nucléées et à quelle vitesse il voyage. Une telle liberté de conception pourrait permettre des éléments de mémoire et de logique rapides et économes en énergie qui exploitent l'inversion de la magnétisation motivée par la lumière.
