Illustrazione schematica dell'impostazione della spettroscopia sperimentale utilizzata per le misurazioni T-MOKE risolte nel tempo. Il campione viene eccitato otticamente da impulsi laser a infrarossi a femtosecondi (lunghezza d'onda di 2µm) e sondato utilizzando impulsi di raggi X morbidi a femtosecondi dopo un intervallo di tempo variabile. Lo spettro dei raggi X molli riflessi viene disperso orizzontalmente da un reticolo e registrato utilizzando una telecamera CCD. L'inserto mostra una sezione trasversale schematica dell'eterostruttura studiata e l'assorbimento dipendente dalla profondità dell'impulso laser IR, che è potenziato nello strato Pt (blu). Credito:MBI
Il futuro sviluppo di dispositivi magnetici funzionali basati sulla manipolazione ottica ultraveloce degli spin richiede la comprensione delle dinamiche di spin dipendenti dalla profondità attraverso le interfacce di complesse eterostrutture magnetiche. Una nuova tecnica per ottenere una visione così "approfondita" e risolta nel tempo sulla magnetizzazione è stata ora dimostrata al Max Born Institute di Berlino, utilizzando impulsi di raggi X morbidi a femtosecondi a banda larga per studiare l'evoluzione transitoria dei profili di profondità di magnetizzazione all'interno di un sistema magnetico a film sottile.
Nell'attuale tecnologia dell'informazione, i dispositivi magnetici funzionali sono tipicamente costituiti da pile di strati sottili di materiali magnetici e non magnetici, ciascuno spesso solo circa un nanometro. L'impilamento, la scelta delle specie atomiche e le interfacce risultanti tra gli strati sono fondamentali per la particolare funzione, ad esempio realizzata nelle gigantesche testine di lettura a magnetoresistenza in tutti i dischi rigidi magnetici. Negli ultimi anni, è stato dimostrato che il laser ultracorto pulsa fino all'intervallo dei femtosecondi (1 femtosecond =10 -15 s) può manipolare efficacemente e molto velocemente la magnetizzazione in un materiale, consentendo un cambiamento transitorio o addirittura un'inversione permanente dello stato di magnetizzazione. Sebbene questi effetti siano stati studiati principalmente in sistemi modello semplici, le applicazioni future richiederanno una comprensione della dinamica della magnetizzazione in strutture più complesse con eterogeneità su scala nanometrica.
I ricercatori del Max Born Institute di Berlino insieme ai loro colleghi del Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften e Helmholtz-Zentrum Berlin hanno ora dimostrato una nuova tecnica che consente di risolvere l'evoluzione spazio-temporale della dinamica di spin indotta dal laser all'interno di un complesso eterostruttura magnetica su scala temporale di femtosecondi e picosecondi. Utilizzando impulsi di raggi X morbidi ultracorti di circa 8 nanometri di lunghezza d'onda generati da una sorgente a banda larga su scala di laboratorio basata su High-Harmonic-Generation (HHG), sono stati in grado di seguire il profilo di profondità di magnetizzazione evolvendosi all'interno di un ferro ferrimagnetico sottile di 10 nanometri strato di gadolinio (FeGd) dopo essere stato colpito da un impulso laser a femtosecondi a infrarossi (IR). La sensibilità di base alla magnetizzazione deriva dall'effetto Kerr magneto-ottico trasversale (T-MOKE) che porta a una riflettività dipendente dalla magnetizzazione in combinazione con l'essere specifico dell'elemento. Per ottenere informazioni sulla profondità all'interno della struttura, il team ha sviluppato il seguente approccio:quando la lunghezza d'onda della radiazione è vicina a una risonanza atomica, la sua profondità di penetrazione nel materiale cambia fortemente. Fino a che punto alcune componenti spettrali dell'impulso di raggi X morbidi a banda larga possono "guardare" nel materiale dipende quindi dalla loro esatta lunghezza d'onda. Di conseguenza, queste informazioni sulla profondità possono essere recuperate tramite i cambiamenti spettrali osservati dopo la riflessione. Il profilo di magnetizzazione in ogni momento è determinato adattando gli spettri T-MOKE misurati con gli spettri calcolati ottenuti da simulazioni di dispersione magnetica.
Formazione di profili di profondità di magnetizzazione transitoria all'interno di un'eterostruttura eccitata dal laser costituita da uno strato ferrimagnetico ferro-gadolinio (GdFe, rosso sfumato) tra strati adiacenti di tantalio (Ta, verde sfumato) e platino (Pt, sfumato blu). (a) Tempo- spettri TMOKE risolti (punti) registrati in tempi diversi (picosecondi, ps) dopo che gli impulsi laser IR hanno colpito il campione con intensità diverse (nero, blu, verde). I dati sperimentali sono dotati di elevata precisione mediante simulazioni di dispersione magnetica (linee). (b) Profili di profondità di magnetizzazione all'interno dello strato di GdFe recuperati dalle simulazioni. Credito:MBI
Nell'esperimento, l'impulso laser IR corto di 27 femtosecondi che ha innescato i cambiamenti nella magnetizzazione è stato incidente sullo strato di tantalio che copre lo strato magnetico effettivo di FeGd. Nelle prime centinaia di femtosecondi è stata osservata una smagnetizzazione omogenea dello strato di FeGd. Con loro sorpresa, tuttavia, gli scienziati hanno scoperto che in tempi successivi di circa un picosecondo, la riduzione della magnetizzazione dovuta all'impulso laser era più forte sul lato dello strato FeGd non rivolto verso l'impulso laser incidente. Transientemente, si forma un profilo di magnetizzazione disomogeneo, che riflette una maggiore smagnetizzazione all'interfaccia verso il sottile strato di platino sottostante. Sulla base della scala temporale del gradiente di magnetizzazione in evoluzione, è stato possibile identificare i processi microscopici responsabili:contrariamente alle aspettative iniziali, potrebbe essere esclusa un'influenza significativa dovuta a fenomeni di trasporto di spin ultraveloce attraverso l'interfaccia, poiché ciò porterebbe a gradienti di magnetizzazione già all'interno del prime centinaia di femtosecondi. Invece, l'effetto osservato deriva dall'iniezione di calore dallo strato di platino sepolto nello strato magnetico. Il platino assorbe l'impulso laser IR molto più forte degli altri strati nell'eterostruttura e quindi funge da fonte di calore interna localizzata.
Vista schematica della dinamica di magnetizzazione ultraveloce indotta da un impulso laser a femtosecondi all'interno di un'eterostruttura ferrimagnetica ferro-gadolinio (GdFe). La smagnetizzazione indotta dal laser dello strato magnetico di GdFe è potenziata verso l'interfaccia con lo strato di platino (Pt) sottostante, perché il Pt assorbe l'impulso laser molto più forte degli altri strati e quindi funge da fonte di calore interna localizzata. Credito:MBI
L'approccio dimostrato dai ricercatori consente di seguire l'evoluzione dei profili di magnetizzazione con risoluzione temporale di femtosecondi e spaziale nanometrica all'interno della profondità di un campione finora di difficile accesso. Pertanto, apre la strada alla verifica delle previsioni teoriche fondamentali nel magnetismo ultraveloce, nonché allo studio dei fenomeni di rotazione e trasporto del calore indotti dal laser in geometrie rilevanti per il dispositivo.
La ricerca è stata pubblicata in Physical Review Research . + Esplora ulteriormente
