Límites espaciales fundamentales de la conmutación de magnetización totalmente óptica

La magnetización se puede cambiar con un solo pulso láser. Sin embargo, no se sabe si el proceso microscópico subyacente es escalable a la escala nanométrica de longitud, un requisito previo para que esta tecnología sea competitiva para futuras aplicaciones de almacenamiento de datos.

Investigadores del Instituto Max Born en Berlín, Alemania, en colaboración con colegas del Instituto de Ciencia de Materiales en Madrid, España, y la instalación de láser de electrones libres FERMI en Trieste, Italia, han determinado un límite espacial fundamental para la energía impulsada por la luz. . inversión de magnetización. el papel es Publicado en el diario Nano-letras.

Los discos duros magnéticos modernos pueden almacenar más de un terabit de datos por pulgada cuadrada, lo que significa que la unidad más pequeña de información puede codificarse en un área menor de 25 nanómetros por 25 nanómetros. En la conmutación totalmente óptica (AOS) basada en láser, los bits codificados magnéticamente se conmutan entre sus estados «0» y «1» con un único pulso láser ultracorto. Para aprovechar todo el potencial de AOS, particularmente en términos de ciclos de escritura/borrado más rápidos y mayor eficiencia energética, es necesario comprender si un bit magnético aún puede invertirse completamente ópticamente si su tamaño está en la escala nanométrica.

Para que se produzca AOS, el material magnético debe calentarse a temperaturas muy altas para que su magnetización se reduzca a cerca de cero. Sólo entonces se podrá revertir su magnetización. La diferencia en AOS es que, para mediar en la conmutación magnética, basta con calentar sólo los electrones del material, dejando fría la red de los núcleos atómicos. Esto es exactamente lo que hace un pulso de láser óptico: interactúa sólo con los electrones, lo que le permite alcanzar temperaturas de electrones mucho más altas a niveles de potencia muy bajos.

Sin embargo, dado que los electrones calientes se enfrían muy rápidamente al dispersarse con los núcleos atómicos fríos, la magnetización debe reducirse lo suficientemente rápido dentro de esta escala de tiempo característica, es decir, la AOS depende de un cuidadoso equilibrio entre la evolución de la temperatura del electrón y la pérdida de magnetización. Es fácil ver que este equilibrio se altera cuando la excitación óptica se limita a la nanoescala: ahora los electrones no sólo pueden perder energía «dando un impulso a los núcleos atómicos», sino que también pueden simplemente abandonar las pequeñas regiones nanométricas calientes por difusión. ausente.

Debido a que solo necesitan viajar una distancia nanométrica para hacer esto, estos procesos también ocurren en una escala de tiempo ultrarrápida, por lo que los electrones pueden enfriarse demasiado rápido, la magnetización no disminuye lo suficiente y el AOS se descompone.

Un equipo internacional de investigadores ha abordado con éxito por primera vez la cuestión de «qué tan pequeño funciona AOS» combinando experimentos de rayos X suaves con cálculos de dinámica de espín atomístico. Generaron un patrón de duración extremadamente corta de bandas de luz láser oscuras y brillantes en la superficie de la muestra del material magnético prototípico GdFe, mediante la interferencia de dos suaves pulsos de láser de rayos X con una longitud de onda de 8,3 nm.

Esto permitió reducir la distancia entre las áreas oscuras y claras a solo 8,7 nm. Esta iluminación sólo está presente durante unos 40 femtosegundos, lo que lleva a una modulación lateral de las temperaturas de los electrones fríos y calientes en el GdFe con la correspondiente pérdida localizada de magnetización.

Luego, los científicos podrían rastrear cómo evoluciona este patrón en los muy cortos períodos de tiempo que son relevantes. Para ello, se difractó un tercer pulso suave de rayos X con la misma longitud de onda de 8,3 nm del patrón de magnetización transitoria con diferentes retardos de tiempo de los pulsos que generan el patrón.

En esta longitud de onda específica, una resonancia electrónica en los átomos de gadolinio permite que el suave pulso de rayos X «detecta» la presencia de magnetización y, por lo tanto, el cambio en la magnetización puede detectarse con una resolución espacial subnanométrica y temporal de femtosegundos. Combinando resultados experimentales con simulaciones de última generación, los investigadores pudieron determinar el transporte de energía ultrarrápido a escala nanométrica.

Resulta que el tamaño mínimo para AOS en aleaciones de GdFe, inducido por excitación periódica a nanoescala, es de alrededor de 25 nm. Este límite se debe a la difusión lateral ultrarrápida de electrones, que enfría rápidamente las regiones iluminadas en estas escalas de longitud pequeña y, en última instancia, previene el AOS.

El enfriamiento más rápido debido a la difusión de electrones puede compensarse en cierta medida aumentando la potencia de excitación, pero este enfoque está limitado por el daño estructural causado por el intenso rayo láser. Los investigadores esperan que el límite de 25 nm sea bastante universal para todos los materiales magnéticos metálicos.