Um pulso de bomba de terahertz é focado na superfície de uma amostra semicondutora incorporada com nanopartículas ferromagnéticas, e um pulso de prova detecta a dinâmica 'excitada'. Uma grande modulação de até 20 por cento da magnetização foi observada com a irradiação de pulso de bomba de terahertz. Crédito:Laboratório Ohya
No futuro, a spintrônica de velocidade ultra-alta exigirá reversão de magnetização coerente ultra-rápida dentro de um picossegundo - um trilionésimo de segundo. Spintrônica centra-se no spin de um elétron e no momento magnético em dispositivos de estado sólido. Embora isso possa eventualmente ser alcançado por meio de irradiação com um pulso de terahertz quase monocíclico, a pequena mudança de magnetização, ou modulação, ele gera até agora impediu qualquer aplicação prática desta técnica.
Geralmente, o componente de "campo magnético" de um pulso de terahertz é considerado a origem da resposta coerente de terahertz da magnetização. Mas, como um grupo de pesquisadores da Universidade de Tóquio descobriu anteriormente, o componente de "campo elétrico" de um pulso de terahertz desempenha um papel fundamental na modulação de magnetização de terahertz de materiais ferromagnéticos baseados em semicondutores.
Agora o grupo relata no jornal Cartas de Física Aplicada , que sua descoberta inicial os inspirou a explorar nanopartículas ferromagnéticas embutidas em um semicondutor. A teoria deles era que o campo elétrico do pulso de terahertz poderia ser efetivamente aplicado a cada nanopartícula devido à pequena perda de energia do pulso de terahertz durante sua propagação através de um semicondutor.
"Até agora, filmes de metal ferromagnético têm sido usados para estudos sobre a modulação terahertz da magnetização, "disse Shinobu Ohya, professor associado da Universidade de Tóquio. "A taxa de modulação relatada até agora tem sido normalmente inferior a ~ 1 por cento da magnetização de saturação."
Para testar sua teoria, o grupo usou um filme semicondutor de arsenieto de gálio (GaAs) de 100 nanômetros de espessura incorporado com nanopartículas de arsenieto de manganês ferromagnético (MnAs). "A pequena perda de energia do pulso de terahertz durante a propagação em nosso filme permite que ele penetre no filme. Isso significa que o forte campo elétrico de terahertz - com uma intensidade máxima de 200 quilovolts / centímetro - é uniformemente aplicado a todas as nanopartículas ferromagnéticas , "disse Ohya." Este forte campo elétrico induz a grande modulação de magnetização através da modulação da densidade de portadores nas nanopartículas de MnAs, graças à interação spin-órbita. "
Os pesquisadores conseguiram obter uma grande modulação de até 20 por cento da magnetização de saturação, e também concluíram que o componente do campo elétrico do pulso de terahertz desempenha um papel fundamental na grande modulação.
"Nossos resultados levarão a uma reversão de magnetização coerente ultrarrápida em um picossegundo, que será uma técnica essencial para spintrônica de ultra-alta velocidade, "Ohya disse." Os sistemas de nanopartículas ferromagnéticas são extremamente promissores para a comutação de magnetização de alta velocidade usando pulsos de terahertz. "