Un team internazionale di fisici dell'Università di Bielefeld, Università di Uppsala, l'Università di Strasburgo, Università di Shanghai per la scienza e la tecnologia, Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri, Politecnico di Zurigo, e la Libera Università di Berlino hanno sviluppato un metodo preciso per misurare il cambiamento ultrarapido di uno stato magnetico nei materiali. Lo fanno osservando l'emissione di radiazione terahertz che accompagna necessariamente un tale cambiamento di magnetizzazione. Il loro studio, intitolato "Magnetometria terahertz ultraveloce, " viene pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura .

Le memorie magnetiche non stanno solo acquisendo capacità sempre più elevate riducendo le dimensioni dei bit magnetici, stanno anche diventando più veloci. In linea di principio, il bit magnetico può essere capovolto, cioè può cambiare il suo stato da uno a zero o viceversa, su una scala temporale estremamente veloce di meno di un picosecondo. Un picosecondo (1 ps =10 ^-12 s) è un milionesimo di un milionesimo di secondo. Questo potrebbe consentire il funzionamento di memorie magnetiche a terahertz (1 THz =1 x 10 ¹² hertz) frequenze di commutazione, corrispondente a velocità di trasmissione dati terabit al secondo (Tbit/s) estremamente elevate.

"La vera sfida è essere in grado di rilevare un tale cambiamento di magnetizzazione in modo abbastanza rapido e sensibile, " spiega il dottor Dmitry Turchinovich, professore di fisica all'Università di Bielefeld e capofila di questo studio. "I metodi esistenti di magnetometria ultraveloce soffrono tutti di alcuni inconvenienti significativi come, Per esempio, funzionamento solo in condizioni di vuoto ultraelevato, l'impossibilità di misurare su materiali incapsulati, e così via. La nostra idea era di utilizzare il principio di base dell'elettrodinamica. Questo afferma che un cambiamento nella magnetizzazione di un materiale deve comportare l'emissione di radiazione elettromagnetica contenente tutte le informazioni su questo cambiamento di magnetizzazione. Se la magnetizzazione in un materiale cambia su una scala temporale di picosecondi, allora la radiazione emessa apparterrà alla gamma di frequenze dei terahertz. Il problema è, che questa radiazione, nota come "emissione di dipolo magnetico, 'è molto debole, e può essere facilmente oscurato da emissioni luminose di altre origini."

Wentao Zhang, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio del professor Dmitry Turchinovich, e il primo autore dell'articolo pubblicato dice:"Ci è voluto tempo, ma alla fine siamo riusciti a isolare proprio questa emissione terahertz di dipolo magnetico che ci ha permesso di ricostruire in modo affidabile le dinamiche di magnetizzazione ultraveloce nei nostri campioni:nanofilm di ferro incapsulati".

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno inviato brevissimi impulsi di luce laser sui nanofilm di ferro, facendoli smagnetizzare molto rapidamente. Allo stesso tempo, stavano raccogliendo la luce terahertz emessa durante un tale processo di smagnetizzazione. L'analisi di questa emissione terahertz ha prodotto la precisa evoluzione temporale di uno stato magnetico nel film di ferro.

"Una volta terminata la nostra analisi, ci siamo resi conto che in realtà abbiamo visto molto di più di quanto ci aspettassimo, " continua Dmitry Turchinovich. "È già noto da tempo che il ferro può smagnetizzare molto rapidamente se illuminato dalla luce laser. Ma quello che abbiamo visto anche era un ragionevolmente piccolo, ma un segnale aggiuntivo molto chiaro nella dinamica della magnetizzazione. Questo ci ha entusiasmato molto. Questo segnale proveniva dalla smagnetizzazione nel ferro, in realtà guidato dalla propagazione di un impulso sonoro molto veloce attraverso il nostro campione. Da dove viene questo suono? Molto facile:quando il film di ferro ha assorbito la luce laser, non solo si è smagnetizzato, è diventato anche caldo. Come sappiamo, la maggior parte dei materiali si espande quando si surriscalda e questa espansione del nanofilm di ferro ha lanciato un impulso di ultrasuoni terahertz all'interno della nostra struttura del campione. Questo impulso sonoro rimbalzava avanti e indietro tra i confini del campione, interno ed esterno, come l'eco tra le pareti di un grande salone. E ogni volta che questa eco passava attraverso il nanofilm di ferro, la pressione del suono muoveva un po' gli atomi di ferro, e questo ha ulteriormente indebolito il magnetismo nel materiale." Questo effetto non è mai stato osservato prima su una scala temporale così ultraveloce.

"Siamo molto felici di aver potuto vedere questo segnale di magnetizzazione ultraveloce guidato acusticamente così chiaramente, e che era così relativamente forte. È stato sorprendente che rilevandolo con le radiazioni THz, che ha una lunghezza d'onda sub-mm, ha funzionato così bene, perché l'espansione nel film di ferro è solo di decine di femtometri (1 fm =10 ^-15 m) che è dieci ordini di grandezza più piccola, " dice il dottor Peter M. Oppeneer, professore di fisica all'Università di Uppsala, che ha condotto la parte teorica di questo studio. Dott. Pablo Maldonado, un collega di Peter M. Oppeneer che ha eseguito i calcoli numerici che sono stati cruciali per spiegare le osservazioni in questo lavoro, aggiunge:"Ciò che trovo estremamente eccitante è una corrispondenza quasi perfetta tra i dati sperimentali e i nostri calcoli teorici dei primi principi. Ciò conferma che il nostro metodo sperimentale di magnetometria terahertz ultraveloce è davvero molto accurato e anche abbastanza sensibile, perché siamo stati in grado di distinguere chiaramente tra i segnali magnetici ultraveloci di diversa origine:elettronica e acustica."

I restanti coautori di questa pubblicazione l'hanno dedicata alla memoria del loro collega e pioniere nel campo del magnetismo ultraveloce, Dr. Eric Beaurepaire dell'Università di Strasburgo. È stato uno degli ideatori di questo studio, ma morì durante le sue fasi finali.