Al-optisk kobling på en nanometerskala

Ultrahurtig lysdrevet kontrol af magnetisering på nanometerlængdeskalaen er nøglen til at opnå konkurrencedygtige bitstørrelser i næste generations datalagringsteknologi. Forskere ved Max Born Institute i Berlin og i storskalafaciliteten Elettra i Trieste, Italien, har med succes demonstreret den ultrahurtige fremkomst af al-optisk kobling ved at generere et nanometerskalagitter ved interferens af to impulser i det ekstreme ultraviolette spektralområde.

Fysikken i optisk drevet magnetiseringsdynamik på femtosekund-tidsskalaen er af stor interesse af to hovedårsager:For det første for en dybere forståelse af de grundlæggende mekanismer af uligevægt, ultrahurtig spindynamik og for det andet for den potentielle anvendelse i den næste generation af informationsteknologi med en vision om at tilfredsstille behovet for både hurtigere og mere energieffektive datalagringsenheder.

All-optical switching (AOS) er en af ​​de mest interessante og lovende mekanismer for denne bestræbelse, hvor magnetiseringstilstanden kan vendes mellem to retninger med en enkelt femtosekund laserpuls, der tjener som "0'er" og "1'ere." Mens forståelsen af ​​den tidsmæssige kontrol af AOS har udviklet sig hurtigt, er viden om ultrahurtige transportfænomener på nanoskalaen, vigtig for realiseringen af ​​al-optisk magnetisk vending i teknologiske applikationer, forblevet begrænset på grund af bølgelængdebegrænsningerne for optisk stråling. En elegant måde at overvinde disse begrænsninger på er at reducere bølgelængderne til det ekstreme ultraviolette (XUV) spektralområde i forbigående gittereksperimenter. Denne teknik er baseret på interferens fra to XUV-stråler, der fører til et excitationsmønster i nanoskala, og den er blevet banebrydende ved EIS-Timer-strålelinien for fri-elektronlaseren (FEL) FERMI i Trieste, Italien.

Nu har forskere fra Max-Born-Institute, Berlin og FEL-faciliteten FERMI exciteret et transient magnetisk gitter (TMG) med en periodicitet på ΛTMG =87 nm i en ferrimagnetisk GdFe-legeringsprøve. Den rumlige udvikling af magnetiseringsgitteret blev undersøgt ved at diffraktere en tidsforsinket, tredje XUV-impuls indstillet til Gd N-kanten ved en bølgelængde på 8,3 nm (150 eV). Da AOS udviser en stærkt ikke-lineær reaktion på excitationen, forventer man karakteristiske symmetriændringer af det udviklende magnetiske gitter adskilt fra det initiale sinusformede excitationsmønster. Denne information er direkte indkodet i diffraktionsmønsteret:i tilfælde af en lineær magnetiseringsreaktion på excitationen og ingen AOS, induceres en sinusformet TMG, og den anden diffraktionsrækkefølge undertrykkes. Men hvis AOS opstår, ændres gitterformen, hvilket nu giver mulighed for en udtalt anden ordens diffraktionsintensitet. Med andre ord identificerede forskerne intensitetsforholdet mellem anden og første orden (R21) som et fingeraftryk, der kan observeres for AOS i diffraktionseksperimenter.

På billedet ovenfor viser a) og b) den tidsmæssige udvikling af henholdsvis den diffrakterede første og anden ordens intensitet. Forskerne finder sammenlignelige henfaldstider for τRE, first =(81 ± 7) ps og τRE, second =(90 ± 24) ps, i overensstemmelse med laterale varmediffusionshastigheder af nanoskala-gitre. c), viser forholdet R21 som funktion af excitationsfluensen ved en konstant pumpesondeforsinkelse på 50 ps. For lav fluens under tærsklen for AOS observerede forskerholdet en konstant og lille værdi på R21 på omkring 1 %. Ved at øge excitationen viser R21 dog en konstant stigning til ~8%, hvilket giver første bevis for AOS på nanometerlængdeskalaen. Forholdet R21 som funktion af tiden er vist i d) for to udvalgte excitationsfluenser. For den større fluens (røde cirkler) udviser R21 et forhøjet og konstant forhold på ca. 6% over det målte tidsinterval på 150 ps, ​​hvilket indikerer en stabil magnetisk struktur, som fortolkes som optisk omvendte domæner, dvs. AOS. Endelig var forskerne i stand til at bekræfte deres observationer ved komplementære al-optiske målinger i det virkelige rum ved hjælp af tidsopløst Faraday-mikroskopi.

I fremtidige transiente gittereksperimenter med væsentligt mindre periodiciteter ned til <20 nm, forventes ultrahurtige laterale transportprocesser at ækvilibrere excitationsgradienterne inden for få picosekunder og vil derfor definere de grundlæggende rumlige grænser for AOS.

Forskningen blev offentliggjort i Nano Letters . + Udforsk yderligere

Indsigt i den hurtige fremkomst af magnetisering