Uma equipe internacional de físicos da Universidade de Bielefeld, Universidade de Uppsala, a Universidade de Estrasburgo, Universidade de Xangai para Ciência e Tecnologia, Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros, ETH Zurique, e a Universidade Livre de Berlim desenvolveram um método preciso para medir a mudança ultrarrápida de um estado magnético em materiais. Eles fazem isso observando a emissão de radiação terahertz que necessariamente acompanha essa mudança de magnetização. Seu estudo, intitulado "magnetometria terahertz ultrarrápida, "está sendo publicado hoje em Nature Communications .

As memórias magnéticas não estão apenas adquirindo capacidade cada vez mais alta, diminuindo o tamanho dos bits magnéticos, eles também estão ficando mais rápidos. Em princípio, a ponta magnética pode ser invertida - isto é, ele pode mudar seu estado de um para zero ou vice-versa - em uma escala de tempo extremamente rápida de menos de um picossegundo. Um picossegundo (1 ps =10 ^-12 s) é um milionésimo de um milionésimo de segundo. Isso poderia permitir a operação de memórias magnéticas em terahertz (1 THz =1 x 10 ¹² hertz) frequências de comutação, correspondendo a taxas de dados de terabits por segundo (Tbit / s) extremamente altas.

"O verdadeiro desafio é ser capaz de detectar essa mudança de magnetização com rapidez e sensibilidade suficiente, "explica o Dr. Dmitry Turchinovich, professor de física da Universidade de Bielefeld e líder deste estudo. "Todos os métodos existentes de magnetometria ultrarrápida sofrem de certas desvantagens significativas, como, por exemplo, operação apenas sob condições de ultra-alto vácuo, a incapacidade de medir em materiais encapsulados, e assim por diante. Nossa ideia era usar o princípio básico da eletrodinâmica. Isso afirma que uma mudança na magnetização de um material deve resultar na emissão de radiação eletromagnética contendo todas as informações sobre essa mudança de magnetização. Se a magnetização em um material muda em uma escala de tempo de picossegundos, então a radiação emitida pertencerá à faixa de frequência terahertz. O problema é, que esta radiação, conhecido como 'emissão dipolo magnética, 'é muito fraco, e pode ser facilmente obscurecido pela emissão de luz de outras origens. "

Wentao Zhang, um Ph.D. aluno do laboratório do professor Dmitry Turchinovich, e o primeiro autor do artigo publicado diz:"Demoramos, mas finalmente conseguimos isolar precisamente esta emissão de terahertz dipolo magnético que nos permitiu reconstruir de forma confiável a dinâmica de magnetização ultrarrápida em nossas amostras:nanofilmes de ferro encapsulados. "

Em seus experimentos, os pesquisadores enviaram pulsos muito curtos de luz laser para os nanofilmes de ferro, fazendo com que eles se desmagnetizem muito rapidamente. Ao mesmo tempo, eles estavam coletando a luz terahertz emitida durante esse processo de desmagnetização. A análise dessa emissão de terahertz rendeu a evolução temporal precisa de um estado magnético no filme de ferro.

"Assim que nossa análise foi concluída, percebemos que realmente vimos muito mais do que esperávamos, "continua Dmitry Turchinovich." Já se sabe há algum tempo que o ferro pode desmagnetizar muito rapidamente quando iluminado por luz laser. Mas o que vimos também foi razoavelmente pequeno, mas um sinal adicional muito claro na dinâmica da magnetização. Isso nos deixou muito animados. Esse sinal veio da desmagnetização do ferro - na verdade, impulsionado pela propagação de um pulso de som muito rápido através de nossa amostra. De onde veio esse som? Muito fácil:quando o filme de ferro absorveu a luz do laser, não só desmagnetizou, também ficou quente. Como sabemos, a maioria dos materiais se expande quando esquenta - e essa expansão do nanofilme de ferro lançou um pulso de ultrassom terahertz dentro de nossa estrutura de amostra. Este pulso de som estava saltando para frente e para trás entre os limites da amostra, interno e externo, como o eco entre as paredes de um grande salão. E cada vez que esse eco passava pelo nanofilme de ferro, a pressão do som moveu um pouco os átomos de ferro, e isso enfraqueceu ainda mais o magnetismo do material. "Esse efeito nunca foi observado antes em uma escala de tempo tão ultrarrápida.

"Estamos muito felizes por podermos ver esse sinal de magnetização ultrarrápido acústico tão claramente, e que era relativamente forte. Foi incrível que detectá-lo com radiação THz, que tem um comprimento de onda sub-mm, funcionou tão bem, porque a expansão no filme de ferro é de apenas dezenas de femtometres (1 fm =10 ^-15 m) que é dez ordens de magnitude menor, "diz o Dr. Peter M. Oppeneer, um professor de física na Uppsala University, que conduziu a parte teórica deste estudo. Dr. Pablo Maldonado, um colega de Peter M. Oppeneer que realizou os cálculos numéricos que foram cruciais para explicar as observações neste trabalho, acrescenta:"O que considero extremamente empolgante é uma combinação quase perfeita entre os dados experimentais e nossos cálculos teóricos de primeiros princípios. Isso confirma que nosso método experimental de magnetometria terahertz ultrarrápida é de fato muito preciso e também sensível o suficiente, porque fomos capazes de distinguir claramente entre os sinais magnéticos ultrarrápidos de diferentes origens:eletrônicos e acústicos. "

Os demais coautores desta publicação dedicaram-no à memória de seu colega e um pioneiro no campo do magnetismo ultrarrápido, Dr. Eric Beaurepaire da Universidade de Estrasburgo. Ele foi um dos criadores deste estudo, mas faleceu durante seus estágios finais.