O desenvolvimento futuro de dispositivos magnéticos funcionais baseados em manipulação óptica ultrarrápida de spins requer uma compreensão da dinâmica de spin dependente da profundidade através das interfaces de heteroestruturas magnéticas complexas. Uma nova técnica para obter uma visão tão "em profundidade" e resolvida no tempo da magnetização foi agora demonstrada no Instituto Max Born em Berlim, empregando pulsos de raios-X suaves de femtossegundos de banda larga para estudar a evolução transitória dos perfis de profundidade de magnetização dentro de um sistema de filme fino magnético.
Na tecnologia da informação atual, os dispositivos magnéticos funcionais normalmente consistem em pilhas de camadas finas de materiais magnéticos e não magnéticos, cada um com apenas cerca de um nanômetro de espessura. O empilhamento, a escolha das espécies atômicas e as interfaces resultantes entre as camadas são fundamentais para a função específica, por exemplo, conforme realizado nas cabeças de leitura de magnetorresistência gigantes em todos os discos rígidos magnéticos. Nos últimos anos, foi demonstrado que o laser ultracurto pulsa até a faixa de femtossegundos (1 femtosegundo =10 ^-15 s) pode manipular de forma eficaz e muito rápida a magnetização em um material, permitindo uma mudança transitória ou mesmo a reversão permanente do estado de magnetização. Embora esses efeitos tenham sido predominantemente estudados em sistemas de modelos simples, aplicações futuras exigirão uma compreensão da dinâmica da magnetização em estruturas mais complexas com heterogeneidade em escala nanométrica.

Pesquisadores do Instituto Max Born em Berlim, juntamente com seus colegas do Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften e Helmholtz-Zentrum Berlin, demonstraram agora uma nova técnica que permite resolver a evolução espaço-temporal da dinâmica de rotação induzida por laser dentro de um complexo heteroestrutura magnética na escala de tempo de femto e picosegundo. Usando pulsos ultracurtos de raios-X macios de cerca de 8 nanômetros de comprimento de onda gerados por uma fonte de banda larga em escala laboratorial baseada em High-Harmonic-Generation (HHG), eles foram capazes de seguir o perfil de profundidade de magnetização evoluindo dentro de um ferro-ferromagnético fino de 10 nanômetros. camada de gadolínio (FeGd) após ter sido atingida por um pulso de laser infravermelho (IR) de femtossegundos. A sensibilidade básica à magnetização decorre do efeito Kerr magneto-óptico transversal (T-MOKE), que leva a uma refletividade dependente da magnetização em combinação com a especificidade do elemento. Para obter informações de profundidade dentro da estrutura, a equipe desenvolveu a seguinte abordagem:quando o comprimento de onda da radiação está próximo de uma ressonância atômica, sua profundidade de penetração no material muda fortemente. Até que ponto certos componentes espectrais do pulso de raios-X suaves de banda larga podem "olhar" para o material, portanto, depende de seu comprimento de onda exato. Consequentemente, esta informação de profundidade pode ser recuperada através das mudanças espectrais observadas após a reflexão. O perfil de magnetização em cada ponto no tempo é determinado ajustando os espectros T-MOKE medidos com espectros calculados obtidos a partir de simulações de dispersão magnética.

No experimento, o pulso de laser IR curto de 27 femtossegundos que desencadeou as mudanças na magnetização foi incidente na camada de tântalo que cobre a camada magnética real de FeGd. Nas primeiras centenas de femtossegundos, foi observada uma desmagnetização homogênea da camada de FeGd. Para sua surpresa, no entanto, os cientistas descobriram que em tempos posteriores de cerca de um picossegundo, a redução da magnetização devido ao pulso de laser era mais forte no lado da camada de FeGd que não enfrentava o pulso de laser incidente. Transitoriamente, um perfil de magnetização não homogêneo se forma, refletindo a desmagnetização aprimorada na interface em direção à fina camada de platina abaixo. Com base na escala de tempo do gradiente de magnetização em evolução, os processos microscópicos responsáveis ​​podem ser identificados:Ao contrário das expectativas iniciais, uma influência significativa devido a fenômenos de transporte de spin ultrarrápido através da interface poderia ser descartada, pois isso levaria a gradientes de magnetização já dentro da interface. primeiras centenas de femtossegundos. Em vez disso, o efeito observado surge devido à injeção de calor da camada de platina enterrada na camada magnética. A platina absorve o pulso do laser IR muito mais forte do que as outras camadas da heteroestrutura e, portanto, atua como uma fonte de calor interna localizada.

A abordagem demonstrada pelos pesquisadores permite acompanhar a evolução dos perfis de magnetização com resolução espacial de femtossegundos e nanômetros dentro da profundidade até então de difícil acesso de uma amostra. Assim, ele abre um caminho para testar previsões teóricas fundamentais em magnetismo ultrarrápido, bem como estudar fenômenos de rotação e transporte de calor induzidos por laser em geometrias relevantes para dispositivos.

A pesquisa foi publicada em Physical Review Research . + Explorar mais

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