Il controllo ultraveloce della magnetizzazione basato sulla luce su scala di lunghezza nanometrica è la chiave per ottenere dimensioni di bit competitive nella tecnologia di archiviazione dei dati di prossima generazione. I ricercatori del Max Born Institute di Berlino e della struttura su larga scala Elettra di Trieste, in Italia, hanno dimostrato con successo l'emergere ultraveloce della commutazione completamente ottica generando un reticolo su scala nanometrica mediante l'interferenza di due impulsi nella gamma spettrale dell'ultravioletto estremo.

La fisica della dinamica della magnetizzazione guidata otticamente sulla scala temporale dei femtosecondi è di grande interesse per due ragioni principali:in primo luogo, per una più profonda comprensione dei meccanismi fondamentali del non equilibrio, della dinamica di spin ultraveloce e, in secondo luogo, per la potenziale applicazione nella prossima generazione di tecnologia dell'informazione con una visione per soddisfare la necessità di dispositivi di archiviazione dati sia più veloci che più efficienti dal punto di vista energetico.

La commutazione completamente ottica (AOS) è uno dei meccanismi più interessanti e promettenti per questo sforzo, in cui lo stato di magnetizzazione può essere invertito tra due direzioni con un singolo impulso laser a femtosecondi, che funge da "0s" e "1s". Mentre la comprensione del controllo temporale dell'AOS è progredita rapidamente, le conoscenze sui fenomeni di trasporto ultraveloce su nanoscala, importanti per la realizzazione dell'inversione magnetica completamente ottica nelle applicazioni tecnologiche, sono rimaste limitate a causa dei limiti di lunghezza d'onda della radiazione ottica. Un modo elegante per superare queste restrizioni è ridurre le lunghezze d'onda all'intervallo spettrale dell'ultravioletto estremo (XUV) negli esperimenti di reticolo transitorio. Questa tecnica si basa sull'interferenza di due fasci XUV che portano a un pattern di eccitazione su scala nanometrica ed è stata sperimentata presso la linea di fascio EIS-Timer del laser a elettroni liberi (FEL) FERMI a Trieste, in Italia.

Ora, i ricercatori del Max-Born-Institute, Berlino e della struttura FEL FERMI hanno eccitato un reticolo magnetico transitorio (TMG) con una periodicità di ΛTMG =87 nm in un campione di lega ferrimagnetica GdFe. L'evoluzione spaziale del reticolo di magnetizzazione è stata sondata diffrangendo un terzo impulso XUV ritardato sintonizzato sul bordo N Gd a una lunghezza d'onda di 8,3 nm (150 eV). Poiché l'AOS mostra una risposta fortemente non lineare all'eccitazione, ci si aspettano cambiamenti caratteristici della simmetria del reticolo magnetico in evoluzione distinti dal pattern di eccitazione sinusoidale iniziale. Questa informazione è codificata direttamente nel pattern di diffrazione:in caso di risposta di magnetizzazione lineare all'eccitazione e assenza di AOS, viene indotta una TMG sinusoidale e viene soppresso il secondo ordine di diffrazione. Tuttavia, se si verifica AOS, la forma del reticolo cambia, consentendo ora una pronunciata intensità di diffrazione del secondo ordine. In altre parole, i ricercatori hanno identificato il rapporto di intensità tra il secondo e il primo ordine (R21) come un'impronta digitale osservabile per AOS negli esperimenti di diffrazione.

Nell'immagine sopra, a) e b) mostrano l'evoluzione temporale delle intensità diffratte rispettivamente del primo e del secondo ordine. I ricercatori trovano tempi di decadimento comparabili di τRE,first =(81 ± 7) ps e τRE,second =(90 ± 24) ps, coerenti con i tassi di diffusione laterale del calore dei reticoli su scala nanometrica. c), mostra il rapporto R21 in funzione della fluenza di eccitazione con un ritardo pompa-sonda costante di 50 ps. Per una bassa fluenza al di sotto della soglia di AOS, il team di ricerca ha osservato un valore costante e piccolo di R21 di circa l'1%. Aumentando l'eccitazione, tuttavia, R21 mostra un aumento costante a circa l'8%, fornendo la prima prova di AOS sulla scala delle lunghezze nanometriche. Il rapporto R21 in funzione del tempo è mostrato in d) per due fluenze di eccitazione selezionate. Per la fluenza più grande (cerchi rossi) R21 mostra un rapporto elevato e costante di circa il 6% nell'intervallo di tempo misurato di 150 ps, ​​indicativo di una struttura magnetica stabile, che viene interpretata come domini otticamente invertiti, cioè AOS. Infine, i ricercatori sono stati in grado di confermare le loro osservazioni mediante misurazioni complementari completamente ottiche nello spazio reale utilizzando la microscopia di Faraday risolta nel tempo.

In futuri esperimenti di reticolo transitorio con periodicità significativamente più piccole fino a <20 nm, ci si aspetta che i processi di trasporto laterale ultraveloci equilibrino i gradienti di eccitazione entro pochi picosecondi e definiranno quindi i limiti spaziali fondamentali dell'AOS.

La ricerca è stata pubblicata in Nano Letters . + Esplora ulteriormente

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