Międzynarodowi badacze ustalili przestrzenną granicę 25 nm dla całkowicie optycznego przełączania namagnesowania, niezbędnego dla rozwoju technologii przechowywania danych o dużej gęstości, ze względu na szybkie chłodzenie elektronów w nanoskala.
Magnetyzację można przełączać za pomocą pojedynczego impulsu laserowego, nie jest jednak jasne, czy leżący u jej podstaw proces mikroskopowy można przeskalować do poziomu nanometra, co stanowi niezbędny krok, aby technologia ta mogła być opłacalna w przyszłych zastosowaniach przechowywania danych.
Naukowcy z Instytutu Maxa Borna w Berlinie we współpracy z kolegami z Instituto de Ciencia de Materiales w Madrycie w Hiszpanii oraz z lasera na swobodnych elektronach FERMI w Trieście we Włoszech określili podstawową granicę przestrzenną dla urządzeń napędzanych światłem odwrócenie namagnesowania.
Nowoczesne magnetyczne dyski twarde mogą przechowywać więcej niż jeden terabit danych na cal kwadratowy, co oznacza, że najmniejszą jednostkę informacji można zakodować na obszarze mniejszym niż 25 nanometrów na 25 nanometrów. W laserowym, całkowicie optycznym przełączaniu (AOS) zakodowane magnetycznie bity są przełączane między stanem „0” a „1” za pomocą pojedynczego ultrakrótkiego impulsu laserowego.
Aby w pełni wykorzystać potencjał AOS, szczególnie pod względem szybszych cykli zapisu/kasowania i zwiększonej wydajności energetycznej, musimy zatem zrozumieć, czy bit magnetyczny można nadal całkowicie optycznie odwrócić, jeśli jego rozmiar jest w skali nanometrowej.
Zrozumienie procesu i ograniczeń AOS
Aby doszło do AOS, materiał magnetyczny musi zostać podgrzany do bardzo wysokich temperatur, aby jego namagnesowanie spadło blisko zera. Tylko wtedy można odwrócić jego namagnesowanie. Nowością w AOS jest to, że aby pośredniczyć w przełączaniu magnetycznym, wystarczy ogrzać tylko elektrony materiału, pozostawiając zimną sieć jąder atomowych.
To właśnie robi optyczny impuls laserowy: oddziałuje tylko z elektronami, umożliwiając osiągnięcie znacznie wyższych temperatur elektronów przy bardzo niskim poziomie mocy. Ponieważ jednak gorące elektrony ochładzają się bardzo szybko w wyniku rozpraszania z zimnymi jądrami atomowymi, namagnesowanie musi zostać zmniejszone wystarczająco szybko w tej charakterystycznej skali czasu, tj. AOS opiera się na starannej równowadze pomiędzy ewolucją temperatury elektronów a utratą namagnesowania.
Łatwo zauważyć, że równowaga ta ulega zmianie, gdy wzbudzenie optyczne ogranicza się do nanoskali: teraz elektrony mogą nie tylko tracić energię, „pobudzając jądra atomowe”, ale mogą także po prostu opuszczać gorące obszary o wielkości nanometrów poprzez dyfuzję z dala. Ponieważ w tym celu muszą pokonać odległość rzędu nanometrów, proces ten zachodzi również w ultraszybkiej skali czasu, w związku z czym elektrony mogą zbyt szybko się ochładzać, namagnesowanie nie jest dostatecznie zmniejszone, a AOS ulega zniszczeniu.
Eksperymentalne spostrzeżenia na temat AOS w nanoskali
Międzynarodowy zespół naukowców po raz pierwszy z sukcesem zajął się pytaniem, „jak mały jest AOS”, łącząc eksperymenty z miękkimi promieniami rentgenowskimi z obliczeniami dynamiki spinu atomowego. Wytworzyli niezwykle krótkotrwały wzór ciemnych i jasnych pasków światła laserowego na powierzchni próbki prototypowego materiału magnetycznego GdFe w wyniku interferencji dwóch miękkich impulsów lasera rentgenowskiego o długości fali 8,3 nm. Pozwoliło to zmniejszyć odległość pomiędzy obszarami ciemnymi i jasnymi do zaledwie 8,7 nm.
To oświetlenie jest obecne tylko przez około 40 femtosekund, co prowadzi do bocznej modulacji temperatur gorących i zimnych elektronów w GdFe z odpowiednią zlokalizowaną utratą namagnesowania. Naukowcy mogliby następnie śledzić ewolucję tego wzorca w odpowiednich, bardzo krótkich skalach czasowych. W tym celu trzeci impuls miękkiego promieniowania rentgenowskiego o tej samej długości fali 8,3 nm został odbity od przejściowego wzoru namagnesowania z różnymi opóźnieniami czasowymi w stosunku do impulsów generujących wzorce. Przy tej konkretnej długości fali rezonans elektroniczny na atomach gadolinu pozwala miękkiemu impulsowi promieniowania rentgenowskiego „wyczuć” obecność namagnesowania, dzięki czemu zmianę namagnesowania można wykryć z femtosekundową rozdzielczością czasową i przestrzenną poniżej nanometra. Łącząc wyniki eksperymentów z najnowocześniejszymi symulacjami, badaczom udało się określić ultraszybki transport energii w skali nanometrowej.
Okazuje się, że minimalny rozmiar AOS w stopach GdFe, indukowany okresowym wzbudzeniem w skali nano, wynosi około 25 nm. Ograniczenie to wynika z ultraszybkiej bocznej dyfuzji elektronów, która szybko chłodzi oświetlone obszary w tych maleńkich skalach długości i ostatecznie zapobiega AOS. Szybsze chłodzenie w wyniku dyfuzji elektronów można w pewnym stopniu skompensować poprzez zwiększenie mocy wzbudzenia, ale ostatecznie podejście to jest ograniczone przez uszkodzenia strukturalne spowodowane intensywną wiązką lasera. Naukowcy spodziewają się, że granica 25 nm jest raczej uniwersalna dla wszystkich metalicznych materiałów magnetycznych.
Odniesienie: „Exploring the Fundamental Spatial Limits of Magnetic All-Optical Switching” autorstwa Felixa Steinbacha, Unai Atxitii, Kelvina Yao, Martina Borcherta, Dietera Engela, Filippo Bencivengi, Laury Foglia, Riccardo Mincigrucci, Emanuele Pedersoli, Dario De Angelis, Matteo Pancaldi, Danny Fainozzi, Jacopo Stefano Pelli Cresi, Ettore Paltanin, Flavio Capotondi, Claudio Masciovecchio, Stefan Eisebitt i Clemens von Korff Schmising, 29 maja 2024 r., Nanolitery.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00129
