Uno dei compiti più importanti nelle moderne tecnologie dell'informazione è il controllo delle direzioni di rotazione dei magneti. Le unità disco rigido all'avanguardia e l'archiviazione magnetica di grandi volumi utilizzati nei data center richiedono la magnetizzazione nei solidi per cambiare direzione in nanosecondi, corrispondente alla frequenza GHz, o anche velocità maggiori. Una richiesta sempre crescente di velocità di scrittura ha spinto i ricercatori verso ricerche approfondite sulle tecniche ottiche che utilizzano impulsi laser a femtosecondi.

Quando molto breve, impulsi laser intensi nella gamma di lunghezze d'onda del vicino infrarosso vengono assorbiti nei magneti, avviene un complesso scambio di energia tra l'elettronica, reticolo, e sistemi di rotazione, con conseguente modificazione dell'anisotropia magnetica. Comprendere come tali trasferimenti di energia interna tra sottosistemi a seguito della fotoeccitazione ultraveloce comportino il cambiamento dell'anisotropia magnetica è fondamentale per l'implementazione di una registrazione magnetica efficiente e ultraveloce, raggiungendo in futuro oltre i picosecondi o addirittura i femtosecondi.

In questo lavoro, ricercatori dell'Università di Costanza, L'Università di Tokyo, e l'Università di Osaka hanno dimostrato che la fotoeccitazione dei gradi di libertà elettronici e reticolari su scale temporali dei femtosecondi risulta in evoluzioni temporali nettamente diverse dell'anisotropia magnetica nel prototipico ferromagnete debole Sm _0,7 Er _0,3 FeO ₃ .

Questa ortoferrite di terre rare presenta una cosiddetta transizione di riorientamento di spin (SRT) in cui si verifica un cambiamento della direzione di spin a una temperatura critica. Irradiando il campione con un intenso, impulso laser a medio infrarosso a femtosecondi sintonizzato in modo risonante su una frequenza fononica e sondando le dinamiche di spin ultraveloci dovute al riorientamento di spin, l'SRT si è verificato con un esordio ritardato. Qui, la termalizzazione relativamente lenta del reticolo cristallino limita la dinamica di spin. In contrasto, quando si eccita la transizione elettronica 4f delle terre rare Sm ³⁺ ioni, si è riscontrato che la dinamica SRT è iniziata immediatamente.

Questo risultato indica che l'anisotropia magnetica viene alterata mediante un cambiamento puramente elettronico senza emettere calore eccessivo nel sistema reticolare. I dati indicano che la velocità di questa modifica dell'anisotropia ultraveloce raggiunge una scala temporale di decine di femtosecondi, molto più veloce della stessa dinamica di spin. Così, il pompaggio elettronico 4f può consentire l'"attivazione" ultraveloce della commutazione della magnetizzazione in futuri dispositivi spintronici che operano al di sotto di scale temporali di picosecondi.

"Finora è stata ampiamente studiata l'influenza del riscaldamento del reticolo ultraveloce in seguito alla fotoeccitazione infrarossa. Tuttavia, questa è la prima volta che i ruoli del reticolo e delle transizioni elettroniche sull'anisotropia magnetica ultraveloce sono stati chiaramente distinti su scale temporali dei femtosecondi, "dicono gli autori.

Poiché i composti di metalli di transizione che contengono elementi di terre rare sono tra i magneti più utilizzati nel mondo moderno, lo schema qui dimostrato dovrebbe aprire la strada a un nuovo percorso non termico per il controllo ultraveloce della dinamica di spin in un'importante classe di materiali.