Ultrahurtig elektronisk styring af magnetisk anisotropi ved mid-infrarødt lys

En af de vigtigste opgaver inden for moderne informationsteknologi er at kontrollere spin-retninger i magneter. State-of-the-art harddiske og store magnetiske lager, der bruges i datacentre, kræver magnetisering i faste stoffer for at skifte deres retning på nanosekunder, svarende til GHz-frekvens, eller endnu højere hastigheder. En stadigt stigende efterspørgsel efter skrivehastighed har skubbet forskere i retning af omfattende forskning i optiske teknikker ved hjælp af femtosekund laserimpulser.

Når meget kort, intense laserimpulser i det nær-infrarøde bølgelængdeområde absorberes i magneter, der sker en kompleks energiudveksling mellem det elektroniske, gitter, og spin-systemer, resulterer i modifikation af magnetisk anisotropi. At forstå, hvordan sådanne interne energioverførsler mellem undersystemer efter ultrahurtig fotoexcitation resulterer i ændringen af ​​magnetisk anisotropi, er afgørende for implementeringen af ​​effektiv og ultrahurtig magnetisk optagelse, rækker længere end picosekunder eller endda femtosekunder i fremtiden.

I dette arbejde, forskere fra University of Konstanz, Universitetet i Tokyo, og Osaka University har vist, at fotoexcitationen af ​​elektroniske og gitterfrihedsgrader på femtosekund tidsskalaer resulterer i tydeligt forskellige tidsmæssige udviklinger af den magnetiske anisotropi i den prototypiske svage ferromagnet Sm _0,7 Eh _0,3 FeO ₃ .

Denne sjældne-jordarthoferrit udviser en såkaldt spin reorientation transition (SRT), hvor en ændring af spin-retningen sker ved en kritisk temperatur. Ved at bestråle prøven med en intens, femtosekund mid-infrarød laserpuls, der er resonant indstillet til en fononfrekvens og sonderer den ultrahurtige spindynamik på grund af spin-reorientering, SRT viste sig at forekomme med en forsinket begyndelse. Her, den relativt langsomme termalisering af krystalgitteret begrænser spindynamikken. I modsætning, når den spændende 4f elektroniske overgang af sjældne jordarters Sm ³⁺ ioner, det viste sig, at SRT-dynamikken startede med det samme.

Dette resultat indikerer, at den magnetiske anisotropi ændres ved hjælp af en rent elektronisk ændring uden at udsende overdreven varme ind i gittersystemet. Dataene indikerer, at hastigheden af ​​denne ultrahurtige anisotropimodifikation når en tidsskala på titusinder af femtosekunder - meget hurtigere end selve spindynamikken. Dermed, den elektroniske 4f-pumpning kan muliggøre ultrahurtig "udløsning" af magnetiseringskoblingen i fremtidige spintronics-enheder, der fungerer under picosekunders tidsskalaer.

"Indflydelsen af ​​den ultrahurtige gitteropvarmning efter infrarød fotoexcitation er blevet undersøgt i vid udstrækning indtil videre. dette er første gang, at rollerne af gitteret og elektroniske overgange på den ultrahurtige magnetiske anisotropi er blevet tydeligt skelnet på femtosekunds tidsskalaer, " siger forfattere.

Da overgangsmetalforbindelser, der indeholder sjældne jordarters grundstoffer, er blandt de mest udbredte magneter i den moderne verden, ordningen, der er demonstreret her, forventes at bane vejen for en ny ikke-termisk rute til ultrahurtig kontrol af spindynamik i en vigtig klasse af materialer.