O controle ultrarrápido da magnetização acionado por luz na escala de comprimento nanométrico é fundamental para alcançar tamanhos de bits competitivos na tecnologia de armazenamento de dados de próxima geração. Pesquisadores do Instituto Max Born em Berlim e da instalação de grande escala Elettra em Trieste, Itália, demonstraram com sucesso o surgimento ultrarrápido de comutação totalmente óptica, gerando uma grade de escala nanométrica pela interferência de dois pulsos na faixa espectral ultravioleta extrema.
A física da dinâmica de magnetização orientada opticamente na escala de tempo de femtossegundos é de grande interesse por duas razões principais:primeiro, para uma compreensão mais profunda dos mecanismos fundamentais de não equilíbrio, dinâmica de spin ultrarrápido e, segundo, para a aplicação potencial na próxima geração de tecnologia da informação com uma visão para satisfazer a necessidade de dispositivos de armazenamento de dados mais rápidos e energeticamente mais eficientes.

A comutação totalmente óptica (AOS) é um dos mecanismos mais interessantes e promissores para este empreendimento, onde o estado de magnetização pode ser revertido entre duas direções com um único pulso de laser de femtosegundo, servindo como "0s" e "1s". Enquanto a compreensão do controle temporal de AOS progrediu rapidamente, o conhecimento sobre fenômenos de transporte ultrarrápido em nanoescala, importante para a realização de reversão magnética totalmente óptica em aplicações tecnológicas, permaneceu limitado devido às limitações de comprimento de onda da radiação óptica. Uma maneira elegante de superar essas restrições é reduzir os comprimentos de onda para a faixa espectral do ultravioleta extremo (XUV) em experimentos de grade transitória. Esta técnica é baseada na interferência de dois feixes XUV levando a um padrão de excitação em nanoescala e foi pioneira na linha de luz EIS-Timer do laser de elétrons livres (FEL) FERMI em Trieste, Itália.

Agora, pesquisadores do Max-Born-Institute, Berlim e da instalação FEL FERMI excitaram uma grade magnética transiente (TMG) com uma periodicidade de ΛTMG =87 nm em uma amostra de liga GdFe ferrimagnética. A evolução espacial da grade de magnetização foi sondada por difração de um terceiro pulso XUV retardado no tempo sintonizado na borda Gd N em um comprimento de onda de 8,3 nm (150 eV). Como o AOS exibe uma resposta fortemente não linear à excitação, espera-se mudanças características de simetria da grade magnética em evolução distinta do padrão de excitação senoidal inicial. Esta informação é codificada diretamente no padrão de difração:no caso de uma resposta de magnetização linear à excitação e sem AOS, um TMG senoidal é induzido e a segunda ordem de difração é suprimida. No entanto, se ocorrer AOS, a forma da grade muda, permitindo agora uma pronunciada intensidade de difração de segunda ordem. Em outras palavras, os pesquisadores identificaram a razão de intensidade entre a segunda e a primeira ordem (R21) como uma impressão digital observável para AOS em experimentos de difração.

Na imagem acima, a) eb) mostram a evolução temporal das intensidades difratadas de primeira e segunda ordem, respectivamente. Os pesquisadores encontraram tempos de decaimento comparáveis ​​de τRE,primeiro =(81 ± 7) ps e τRE,segundo =(90 ± 24) ps, consistentes com as taxas de difusão lateral de calor das grades em nanoescala. c), mostra a razão R21 em função da fluência de excitação com um atraso constante de bomba-sonda de 50 ps. Para baixa fluência abaixo do limiar de AOS, a equipe de pesquisa observou um valor constante e pequeno de R21 em torno de 1%. Aumentando a excitação, no entanto, R21 mostra um aumento constante de ~ 8%, fornecendo a primeira evidência de AOS na escala de comprimento nanométrico. A razão R21 em função do tempo é mostrada em d) para duas fluências de excitação selecionadas. Para a fluência maior (círculos vermelhos) R21 exibe uma razão elevada e constante de cerca de 6% ao longo do intervalo de tempo medido de 150 ps, ​​indicativo de uma estrutura magnética estável, que é interpretada como domínios opticamente reversos, ou seja, AOS. Finalmente, os pesquisadores foram capazes de confirmar suas observações por meio de medições totalmente ópticas complementares no espaço real usando microscopia de Faraday resolvida no tempo.

Em futuros experimentos de grade transiente com periodicidades significativamente menores até <20 nm, espera-se que os processos de transporte lateral ultrarrápidos equilibrem os gradientes de excitação dentro de alguns picossegundos e, portanto, definirão os limites espaciais fundamentais do AOS.

A pesquisa foi publicada em Nano Letters . + Explorar mais

Insight sobre o rápido surgimento da magnetização