Ilustración esquemática de la configuración de espectroscopia experimental utilizada para las mediciones de T-MOKE resueltas en el tiempo. La muestra se excita ópticamente mediante pulsos de láser infrarrojo de femtosegundos (longitud de onda de 2 µm) y se sondea mediante pulsos de rayos X suaves de femtosegundos después de un intervalo de tiempo variable. El espectro de los rayos X suaves reflejados se dispersa horizontalmente mediante una rejilla y se registra con una cámara CCD. El recuadro muestra una sección transversal esquemática de la heteroestructura estudiada y la absorción dependiente de la profundidad del pulso láser IR, que se mejora en la capa de Pt (azul). Crédito:MBI
El desarrollo futuro de dispositivos magnéticos funcionales basados en la manipulación óptica ultrarrápida de espines requiere una comprensión de la dinámica de espín dependiente de la profundidad a través de las interfaces de heteroestructuras magnéticas complejas. Una técnica novedosa para obtener una vista tan "profunda" y resuelta en el tiempo sobre la magnetización ahora se ha demostrado en el Instituto Max Born en Berlín, empleando pulsos de rayos X suaves de femtosegundos de banda ancha para estudiar la evolución transitoria de los perfiles de profundidad de magnetización dentro de un sistema magnético de película delgada.
En la tecnología de la información actual, los dispositivos magnéticos funcionales generalmente consisten en pilas de capas delgadas de materiales magnéticos y no magnéticos, cada una de aproximadamente un nanómetro de espesor. El apilamiento, la elección de especies atómicas y las interfaces resultantes entre las capas son clave para la función particular, por ejemplo, como se realiza en las cabezas de lectura de magnetorresistencia gigante en todos los discos duros magnéticos. En los últimos años, se demostró que los pulsos de láser ultracorto se reducen al rango de femtosegundos (1 femtosegundo =10 -15 s) puede manipular de manera efectiva y muy rápida la magnetización en un material, lo que permite un cambio transitorio o incluso una inversión permanente del estado de magnetización. Si bien estos efectos se han estudiado predominantemente en sistemas modelo simples, las aplicaciones futuras requerirán una comprensión de la dinámica de magnetización en estructuras más complejas con heterogeneidad a escala nanométrica.
Investigadores del Max Born Institute de Berlín junto con sus colegas del Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften y Helmholtz-Zentrum Berlin han demostrado ahora una técnica novedosa que permite resolver la evolución espaciotemporal de la dinámica de espín inducida por láser dentro de un complejo heteroestructura magnética en la escala de tiempo de femto y picosegundos. Usando pulsos de rayos X suaves ultracortos de aproximadamente 8 nanómetros de longitud de onda generados por una fuente de banda ancha a escala de laboratorio basada en High-Harmonic-Generation (HHG), pudieron seguir el perfil de profundidad de magnetización que evoluciona dentro de un delgado hierro ferrimagnético de 10 nanómetros. capa de gadolinio (FeGd) después de ser golpeada por un pulso láser infrarrojo (IR) de femtosegundos. La sensibilidad básica a la magnetización proviene del efecto Kerr magneto-óptico transversal (T-MOKE) que conduce a una reflectividad dependiente de la magnetización en combinación con la especificidad del elemento. Para obtener información de profundidad dentro de la estructura, el equipo desarrolló el siguiente enfoque:cuando la longitud de onda de la radiación está cerca de una resonancia atómica, su profundidad de penetración en el material cambia fuertemente. Hasta qué punto ciertos componentes espectrales del pulso de rayos X suaves de banda ancha pueden "mirar" en el material depende de su longitud de onda exacta. En consecuencia, esta información de profundidad se puede recuperar a través de los cambios espectrales observados después de la reflexión. El perfil de magnetización en cada punto en el tiempo se determina ajustando los espectros de T-MOKE medidos con espectros calculados obtenidos de simulaciones de dispersión magnética.
Formación de perfiles de profundidad de magnetización transitoria dentro de una heteroestructura excitada por láser que consiste en una capa de gadolinio de hierro ferrimagnético (GdFe, sombreado en rojo) entre capas adyacentes de tantalio (Ta, sombreado en verde) y platino (Pt, sombreado en azul). (a) Tiempo- espectros TMOKE resueltos (puntos) registrados en diferentes momentos (picosegundos, ps) después de que los pulsos del láser IR golpean la muestra con diferentes intensidades (negro, azul, verde). Los datos experimentales se ajustan con alta precisión mediante simulaciones de dispersión magnética (líneas). (b) Perfiles de profundidad de magnetización dentro de la capa GdFe recuperados de las simulaciones. Crédito:MBI
En el experimento, el pulso láser IR corto de 27 femtosegundos que desencadenaba los cambios en la magnetización incidía en la capa de tantalio que cubría la capa magnética real de FeGd. En los primeros cientos de femtosegundos se observó una desmagnetización homogénea de la capa de FeGd. Sin embargo, para su sorpresa, los científicos descubrieron que en tiempos posteriores de alrededor de un picosegundo, la reducción de la magnetización debida al pulso láser era más fuerte en el lado de la capa de FeGd que no enfrentaba el pulso láser incidente. De manera transitoria, se forma un perfil de magnetización no homogéneo, lo que refleja una desmagnetización mejorada en la interfaz hacia la delgada capa de platino que se encuentra debajo. Con base en la escala de tiempo del gradiente de magnetización en evolución, se pudieron identificar los procesos microscópicos responsables:contrariamente a las expectativas iniciales, se pudo descartar una influencia significativa debida a los fenómenos de transporte de espín ultrarrápido a través de la interfaz, ya que esto conduciría a gradientes de magnetización que ya están dentro de la primeras centenas de femtosegundos. En cambio, el efecto observado surge debido a la inyección de calor de la capa de platino enterrada en la capa magnética. El platino absorbe el pulso del láser IR mucho más fuerte que las otras capas de la heteroestructura y, por lo tanto, actúa como una fuente de calor interna localizada.
Vista esquemática de la dinámica de magnetización ultrarrápida inducida por un pulso láser de femtosegundo dentro de una heteroestructura ferrimagnética de hierro-gadolinio (GdFe). La desmagnetización inducida por láser de la capa magnética de GdFe aumenta hacia la interfaz con la capa de platino (Pt) que se encuentra debajo, porque el Pt absorbe el pulso del láser mucho más fuerte que las otras capas y, por lo tanto, actúa como una fuente de calor interna localizada. Crédito:MBI
El enfoque demostrado por los investigadores permite seguir la evolución de los perfiles de magnetización con una resolución espacial nanométrica y temporal de femtosegundos dentro de la profundidad de una muestra, hasta ahora de difícil acceso. Thus, it paves a way to testing fundamental theoretical predictions in ultrafast magnetism as well as studying laser-induced spin and heat transport phenomena in device-relevant geometries.
The research was published in Physical Review Research . All-optical switching on a nanometer scale
