Efter ultrahurtig magnetiseringsdynamik i dybden

Den fremtidige udvikling af funktionelle magnetiske enheder baseret på ultrahurtig optisk manipulation af spins kræver en forståelse af den dybdeafhængige spindynamik på tværs af grænseflader af komplekse magnetiske heterostrukturer. En ny teknik til at opnå et sådant "i dybden" og tidsløst syn på magnetiseringen er nu blevet demonstreret på Max Born Institute i Berlin, ved at anvende bredbånds femtosekunds bløde røntgenimpulser til at studere den forbigående udvikling af magnetiseringsdybdeprofiler inden for en magnetisk tyndfilm system.

I den nuværende informationsteknologi består funktionelle magnetiske enheder typisk af stakke af tynde lag af magnetiske og ikke-magnetiske materialer, hver kun omkring en nanometer tyk. Stablingen, valget af atomarter og de resulterende grænseflader mellem lagene er nøglen til den særlige funktion, for eksempel som realiseret i de gigantiske magnetoresistens læsehoveder i alle magnetiske harddiske. I løbet af de sidste par år har det vist sig, at ultrakort laser pulserer ned til femtosekundområdet (1 femtosekund =10 ^-15 s) kan effektivt og meget hurtigt manipulere magnetiseringen i et materiale, hvilket muliggør en forbigående ændring eller endda permanent vending af magnetiseringstilstanden. Selvom disse effekter overvejende er blevet undersøgt i simple modelsystemer, vil fremtidige applikationer kræve en forståelse af magnetiseringsdynamik i mere komplekse strukturer med heterogenitet på nanometerskala.

Forskere fra Max Born Institute i Berlin har sammen med deres kolleger fra Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften og Helmholtz-Zentrum Berlin nu demonstreret en ny teknik, der gør det muligt at løse den spatiotemporale udvikling af laser-induceret spin-dynamik inden for en kompleks spin-dynamik. magnetisk heterostruktur på femto- og picosekunders tidsskala. Ved at bruge ultrakorte bløde røntgenimpulser på omkring 8 nanometer bølgelængde genereret af en bredbåndskilde i laboratorieskala baseret på High-Harmonic-Generation (HHG), var de i stand til at følge magnetiseringsdybdeprofilen, der udviklede sig inden for et 10 nanometer tyndt ferrimagnetisk jern. gadolinium (FeGd) lag, efter at det blev ramt af en femtosekund infrarød (IR) laserpuls. Den grundlæggende følsomhed over for magnetiseringen stammer fra den tværgående magneto-optiske Kerr-effekt (T-MOKE), som fører til en magnetiseringsafhængig reflektivitet i kombination med at være element-specifik. For at opnå dybdeinformation i strukturen udviklede teamet følgende tilgang:Når strålingens bølgelængde er tæt på en atomresonans, ændres dens indtrængningsdybde i materialet kraftigt. Hvor langt visse spektrale komponenter af den bløde bredbåndsrøntgenpuls kan "se" ind i materialet afhænger således af deres nøjagtige bølgelængde. Følgelig kan denne dybdeinformation hentes via de spektrale ændringer, der observeres efter refleksion. Magnetiseringsprofilen på hvert tidspunkt bestemmes ved at tilpasse de målte T-MOKE-spektre med beregnede spektre opnået fra magnetiske spredningssimuleringer.

I eksperimentet faldt den 27 femtosekunder korte IR-laserpuls, der udløste ændringerne i magnetiseringen, ind på tantallaget, der dækkede det faktiske magnetiske FeGd-lag. I de første par hundrede femtosekunder blev der observeret en homogen afmagnetisering af FeGd-laget. Til deres overraskelse fandt forskerne imidlertid ud af, at på senere tidspunkter på omkring et picosekund var reduktionen af ​​magnetiseringen på grund af laserpulsen stærkest på den side af FeGd-laget, der ikke vendte mod den indfaldende laserimpuls. Forbigående dannes en inhomogen magnetiseringsprofil, som afspejler forbedret demagnetisering ved grænsefladen mod det tynde platinlag nedenunder. Baseret på tidsskalaen for den udviklende magnetiseringsgradient, kunne de ansvarlige mikroskopiske processer identificeres:I modsætning til de oprindelige forventninger kunne en betydelig indflydelse på grund af ultrahurtige spin-transportfænomener på tværs af grænsefladen udelukkes, da dette ville føre til magnetiseringsgradienter allerede inden for første hundrede femtosekunder. I stedet opstår den observerede effekt på grund af varmeinjektion fra det nedgravede platinlag ind i det magnetiske lag. Platinet absorberer IR-laserpulsen meget stærkere end de andre lag i heterostrukturen og fungerer derfor som en lokaliseret intern varmekilde.

Den tilgang, som forskerne har demonstreret, gør det muligt at følge udviklingen af ​​magnetiseringsprofiler med femtosekund tidsmæssig og nanometer rumlig opløsning inden for den hidtil vanskeligt tilgængelige dybde af en prøve. 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 . + Udforsk yderligere

All-optical switching on a nanometer scale