Gli scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) insieme ai colleghi dell'Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) e dell'Università della Virginia hanno trovato un modo per scrivere ed eliminare i magneti in una lega utilizzando un raggio laser, un effetto sorprendente. La reversibilità del processo apre nuove possibilità nei campi della lavorazione dei materiali, tecnologia ottica, e archiviazione dei dati.

Ricercatori dell'HZDR, un laboratorio di ricerca tedesco indipendente, studiato una lega di ferro e alluminio. È interessante come materiale prototipo perché sottili modifiche alla sua disposizione atomica possono trasformare completamente il suo comportamento magnetico. "La lega possiede una struttura altamente ordinata, con strati di atomi di ferro separati da strati atomici di alluminio. Quando un raggio laser distrugge questo ordine, gli atomi di ferro si avvicinano e iniziano a comportarsi come magneti, " dice il fisico dell'HZDR Rantej Bali.

Bali e il suo team hanno preparato una pellicola sottile della lega sopra della magnesia trasparente attraverso la quale è stato proiettato un raggio laser sulla pellicola. Quando essi, insieme ai ricercatori dell'HZB, diretto un raggio laser ben focalizzato con un impulso di 100 femtosecondi (un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo) sulla lega, si è formata una zona ferromagnetica. Sparare nuovamente gli impulsi laser nella stessa area, questa volta a intensità laser ridotta, è stato quindi utilizzato per eliminare il magnete.

Con un singolo impulso laser a intensità ridotta, è stata mantenuta circa la metà del precedente livello di magnetizzazione, e con una serie di impulsi laser, la magnetizzazione è scomparsa del tutto. Queste osservazioni sono state fatte al sincrotrone Bessy II gestito da HZB utilizzando un microscopio che distribuisce raggi X molli per studiare il contrasto magnetico.

Lo scienziato è stato in grado di chiarire cosa succede nella lega durante questo processo. Le simulazioni dei colleghi americani mostrano che lo stato ferromagnetico si forma quando l'impulso laser ultracorto riscalda il materiale a film sottile nella misura in cui si scioglie completamente dalla superficie all'interfaccia della magnesia. Quando la lega si raffredda, diventa un liquido super raffreddato, rimanendo fuso nonostante la temperatura sia scesa al di sotto del punto di fusione.

Questo stato è il risultato della mancanza di siti di nucleazione, luoghi microscopici in cui gli atomi possono iniziare a organizzarsi in un reticolo. Mentre gli atomi si muovono nello stato superraffreddato alla ricerca di siti di nucleazione, la temperatura continua a scendere. Finalmente, gli atomi nello stato superraffreddato devono formare un reticolo solido, e come in un gioco di sedie musicali, gli atomi di ferro e alluminio finiscono intrappolati in posizioni casuali all'interno del reticolo. Il processo richiede solo pochi nanosecondi, e la disposizione casuale degli atomi rende un magnete.

Lo stesso laser a intensità ridotta riorganizza gli atomi in una struttura ben ordinata. Il colpo laser più debole fonde solo strati sottili del film, creando uno stagno fuso seduto sulla lega solida. Entro un nanosecondo dalla fusione, e non appena la temperatura scende al di sotto del punto di fusione, la parte solida del film inizia a ricrescere, e gli atomi si riorganizzano rapidamente dalla struttura liquida disordinata al reticolo cristallino. Con il reticolo già formato e la temperatura ancora abbastanza alta, gli atomi possiedono energia sufficiente per diffondersi attraverso il reticolo e separarsi in strati di ferro e alluminio. dottorato di ricerca lo studente Jonathan Ehrler riassume:"Per scrivere aree magnetiche, dobbiamo fondere il materiale dalla superficie fino all'interfaccia, mentre per cancellarlo, dobbiamo solo scioglierne una frazione."

In ulteriori esperimenti, gli scienziati ora vogliono studiare questo processo in altre leghe ordinate. Vogliono anche esplorare l'impatto di una combinazione di più raggi laser. Gli effetti di interferenza potrebbero essere usati per generare materiali magnetici modellati su vaste aree. "I notevoli cambiamenti nella proprietà del materiale potrebbero portare ad alcune interessanti applicazioni, " calcola Bali. I laser sono usati per molti scopi diversi nell'industria, per esempio nella lavorazione dei materiali. Questa scoperta potrebbe anche aprire ulteriori strade nelle tecnologie ottiche e di archiviazione dei dati.