Ny metode til at spore ultrahurtig ændring af magnetisk tilstand

Et internationalt team af fysikere fra Bielefeld University, Uppsala Universitet, universitetet i Strasbourg, University of Shanghai for videnskab og teknologi, Max Planck Institute for Polymer Research, ETH Zürich, og Free University Berlin har udviklet en præcis metode til måling af den ultrahurtige ændring af en magnetisk tilstand i materialer. De gør dette ved at observere emissionen af ​​terahertz -stråling, der nødvendigvis ledsager en sådan magnetiseringsændring. Deres undersøgelse, med titlen "Ultrahurtig terahertz magnetometri, "udgives i dag i Naturkommunikation .

Magnetiske minder får ikke bare højere og højere kapacitet ved at krympe størrelsen på magnetiske bits, de bliver også hurtigere. I princippet, den magnetiske bit kan vendes - det vil sige den kan ændre sin tilstand fra en til nul eller omvendt - på en ekstremt hurtig tidsskala på kortere end et picosekund. Et picosekund (1 ps =10 ^-12 s) er en milliontedel af en milliontedel af et sekund. Dette kan muliggøre betjening af magnetiske minder ved terahertz (1 THz =1 x 10 ¹² hertz) skiftefrekvenser, svarende til ekstremt høje terabit pr. sekund (Tbit/s) datahastigheder.

"Den egentlige udfordring er at kunne opdage en sådan magnetiseringsændring hurtigt og følsomt nok, "forklarer Dr. Dmitry Turchinovich, professor i fysik ved Bielefeld University og lederen af ​​dette studie. "De eksisterende metoder til ultrahurtig magnetometri lider alle af visse betydelige ulemper, såsom, for eksempel, drift kun under ultrahøje vakuumforhold, manglende evne til at måle på indkapslede materialer og så videre. Vores idé var at bruge det grundlæggende princip for elektrodynamik. Dette siger, at en ændring i magnetiseringen af ​​et materiale skal resultere i emission af elektromagnetisk stråling, der indeholder den fulde information om denne magnetiseringsændring. Hvis magnetiseringen i et materiale ændres på et picosekund tidsskala, så vil den udsendte stråling tilhøre terahertz -frekvensområdet. Problemet er, at denne stråling, kendt som 'magnetisk dipolemission, 'er meget svag, og kan let tilsløres af lysemission af anden oprindelse. "

Wentao Zhang, en ph.d. studerende i laboratoriet af professor Dmitry Turchinovich, og den første forfatter til det udgivne papir siger:"Det tog os tid, men endelig lykkedes det os at isolere netop denne magnetiske dipol terahertz -emission, der tillod os pålideligt at rekonstruere den ultrahurtige magnetiseringsdynamik i vores prøver:indkapslede jern -nanofilmer. "

I deres eksperimenter, forskerne sendte meget korte pulser af laserlys til jern -nanofilmene, får dem til at afmagnetisere meget hurtigt. På samme tid, de indsamlede det terahertz -lys, der blev udsendt under en sådan demagnetiseringsproces. Analysen af ​​denne terahertz -emission gav den præcise tidsmæssige udvikling af en magnetisk tilstand i jernfilmen.

"Når vores analyse var færdig, vi indså, at vi faktisk så langt mere, end vi havde forventet, "fortsætter Dmitry Turchinovich." Det har allerede været kendt i nogen tid, at jern kan afmagnetisere meget hurtigt, når det belyses af laserlys. Men det, vi også så, var en rimelig lille, men et meget klart ekstra signal i magnetiseringsdynamik. Dette fik os alle meget begejstrede. Dette signal kom fra demagnetiseringen i jern - faktisk drevet af spredning af en meget hurtig lydpuls gennem vores prøve. Hvor kom denne lyd fra? Meget let:når jernfilmen absorberede laserlyset, det afmagnetiserede ikke kun, det blev også varmt. Som vi ved, de fleste materialer udvider sig, når de bliver varme - og denne udvidelse af jern -nanofilmen lancerede en puls med terahertz -ultralyd i vores prøvestruktur. Denne lydpuls hoppede frem og tilbage mellem prøvegrænserne, internt og eksternt, som ekkoet mellem væggene i en stor hal. Og hver gang dette ekko passerede gennem jern -nanofilmen, lydtrykket bevægede jernatomerne en smule, og dette svækkede yderligere magnetismen i materialet. "Denne effekt er aldrig blevet observeret før på en så ultrahurtig tidsskala.

"Vi er meget glade for, at vi kunne se dette akustisk drevne ultrahurtige magnetiseringssignal så tydeligt, og at den var så relativt stærk. Det var fantastisk at opdage det med THz -stråling, som har en sub-mm bølgelængde, fungerede så godt, fordi ekspansionen i jernfilmen kun er titalls femtometre (1 fm =10 ^-15 m) som er ti størrelsesordener mindre, "siger Dr. Peter M. Oppeneer, professor i fysik ved Uppsala universitet, der ledede den teoretiske del af dette studie. Dr. Pablo Maldonado, en kollega af Peter M. Oppeneer, der udførte de numeriske beregninger, der var afgørende for at forklare observationer i dette arbejde, tilføjer:"Det, jeg synes er ekstremt spændende, er et næsten perfekt match mellem de eksperimentelle data og vores teoretiske beregninger med første principper. Dette bekræfter, at vores eksperimentelle metode til ultrahurtig terahertz magnetometri faktisk er meget præcis og også følsom nok, fordi vi var i stand til klart at skelne mellem de ultrahurtige magnetiske signaler af forskellig oprindelse:elektronisk og akustisk. "

De resterende medforfattere af denne publikation har dedikeret den til minde om deres kollega og en pioner inden for ultrahurtig magnetisme, Dr. Eric Beaurepaire fra University of Strasbourg. Han var en af ​​ophavsmændene til denne undersøgelse, men døde i sine sidste faser.