Un equipo internacional de físicos de la Universidad de Bielefeld, Universidad de Uppsala, la Universidad de Estrasburgo, Universidad de Shanghai para la Ciencia y la Tecnología, Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros, ETH Zúrich, y la Universidad Libre de Berlín han desarrollado un método preciso para medir el cambio ultrarrápido de un estado magnético en los materiales. Lo hacen observando la emisión de radiación de terahercios que necesariamente acompaña a tal cambio de magnetización. Su estudio, titulado "Magnetometría ultrarrápida de terahercios, "se publica hoy en Comunicaciones de la naturaleza .

Las memorias magnéticas no solo adquieren una capacidad cada vez mayor al reducir el tamaño de los bits magnéticos, también son cada vez más rápidos. En principio, el bit magnético se puede voltear, es decir, puede cambiar su estado de uno a cero o viceversa, en una escala de tiempo extremadamente rápida de menos de un picosegundo. Un picosegundo (1 ps =10 ^-12 s) es una millonésima de una millonésima de segundo. Esto podría permitir el funcionamiento de memorias magnéticas a terahercios (1 THz =1 x 10 ¹² hercios) frecuencias de conmutación, correspondiente a velocidades de datos de terabit por segundo (Tbit / s) extremadamente altas.

"El desafío real es poder detectar un cambio de magnetización de este tipo de manera rápida y con la suficiente sensibilidad, "explica el Dr. Dmitry Turchinovich, profesor de física en la Universidad de Bielefeld y líder de este estudio. "Todos los métodos existentes de magnetometría ultrarrápida adolecen de ciertos inconvenientes importantes, como, por ejemplo, operación solo en condiciones de vacío ultra alto, la incapacidad de medir en materiales encapsulados, etcétera. Nuestra idea era utilizar el principio básico de la electrodinámica. Esto establece que un cambio en la magnetización de un material debe resultar en la emisión de radiación electromagnética que contiene la información completa sobre este cambio de magnetización. Si la magnetización en un material cambia en una escala de tiempo de picosegundos, entonces la radiación emitida pertenecerá al rango de frecuencia de terahercios. El problema es, que esta radiación, conocido como 'emisión de dipolo magnético, 'es muy débil, y puede oscurecerse fácilmente por la emisión de luz de otros orígenes ".

Wentao Zhang, un doctorado estudiante en el laboratorio del profesor Dmitry Turchinovich, y el primer autor del artículo publicado dice:"Nos llevó tiempo, pero finalmente logramos aislar precisamente esta emisión de terahercios del dipolo magnético que nos permitió reconstruir de manera confiable la dinámica de magnetización ultrarrápida en nuestras muestras:nanofilms de hierro encapsulados ".

En sus experimentos, los investigadores enviaron pulsos muy cortos de luz láser sobre las nanofilms de hierro, provocando que se desmagneticen muy rápidamente. Al mismo tiempo, estaban recolectando los terahercios de luz emitidos durante dicho proceso de desmagnetización. El análisis de esta emisión de terahercios arrojó la evolución temporal precisa de un estado magnético en la película de hierro.

"Una vez finalizado nuestro análisis, nos dimos cuenta de que en realidad vimos mucho más de lo que esperábamos, "continúa Dmitry Turchinovich." Ya se sabe desde hace algún tiempo que el hierro se puede desmagnetizar muy rápidamente cuando se ilumina con luz láser. Pero lo que también vimos fue un tamaño razonablemente pequeño, pero una señal adicional muy clara en la dinámica de magnetización. Esto nos emocionó mucho a todos. Esta señal provino de la desmagnetización en el hierro, en realidad impulsada por la propagación de un pulso de sonido muy rápido a través de nuestra muestra. ¿De dónde vino este sonido? Muy fácil:cuando la película de hierro absorbió la luz láser, no solo se desmagnetizó, también se puso caliente. Tal como lo conocemos, la mayoría de los materiales se expanden cuando se calientan, y esta expansión de la nanofilm de hierro lanzó un pulso de ultrasonido de terahercios dentro de nuestra estructura de muestra. Este pulso de sonido rebotaba hacia adelante y hacia atrás entre los límites de la muestra, interno y externo, como el eco entre las paredes de un gran salón. Y cada vez que este eco atravesaba la nanopelícula de hierro, la presión del sonido movió un poco los átomos de hierro, y esto debilitó aún más el magnetismo en el material ". Este efecto nunca antes se había observado en una escala de tiempo tan ultrarrápida.

"Estamos muy contentos de poder ver esta señal de magnetización ultrarrápida impulsada acústicamente con tanta claridad, y que era relativamente fuerte. Fue sorprendente que al detectarlo con radiación THz, que tiene una longitud de onda inferior a mm, funcionó tan bien, porque la expansión en la película de hierro es solo de decenas de femtómetros (1 fm =10 ^-15 m) que es diez órdenes de magnitud menor, "dice el Dr. Peter M. Oppeneer, profesor de física en la Universidad de Uppsala, quien dirigió la parte teórica de este estudio. Dr. Pablo Maldonado, un colega de Peter M. Oppeneer que realizó los cálculos numéricos que fueron cruciales para explicar las observaciones en este trabajo, agrega:"Lo que encuentro extremadamente emocionante es una coincidencia casi perfecta entre los datos experimentales y nuestros cálculos teóricos de los primeros principios. Esto confirma que nuestro método experimental de magnetometría ultrarrápida de terahercios es realmente muy preciso y también lo suficientemente sensible, porque pudimos distinguir claramente entre las señales magnéticas ultrarrápidas de diferentes orígenes:electrónica y acústica ".

El resto de coautores de esta publicación la han dedicado a la memoria de su colega y pionero en el campo del magnetismo ultrarrápido, Dr. Eric Beaurepaire de la Universidad de Estrasburgo. Fue uno de los creadores de este estudio, pero falleció durante sus etapas finales.