El control ultrarrápido de la magnetización impulsado por la luz en la escala de longitud nanométrica es clave para lograr tamaños de bits competitivos en la tecnología de almacenamiento de datos de próxima generación. Investigadores del Instituto Max Born en Berlín y de la instalación a gran escala Elettra en Trieste, Italia, han demostrado con éxito la aparición ultrarrápida de la conmutación totalmente óptica al generar una rejilla a escala nanométrica por la interferencia de dos pulsos en el rango espectral ultravioleta extremo.

La física de la dinámica de magnetización impulsada ópticamente en la escala de tiempo de femtosegundos es de gran interés por dos razones principales:primero, para una comprensión más profunda de los mecanismos fundamentales del desequilibrio, la dinámica de espín ultrarrápido y, segundo, para la aplicación potencial en la próxima generación de tecnología de la información con la visión de satisfacer la necesidad de dispositivos de almacenamiento de datos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

La conmutación totalmente óptica (AOS) es uno de los mecanismos más interesantes y prometedores para este esfuerzo, donde el estado de magnetización se puede invertir entre dos direcciones con un solo pulso de láser de femtosegundo, sirviendo como "0" y "1". Si bien la comprensión del control temporal de AOS ha progresado rápidamente, el conocimiento sobre los fenómenos de transporte ultrarrápido en la nanoescala, importante para la realización de la inversión magnética totalmente óptica en aplicaciones tecnológicas, se ha mantenido limitado debido a las limitaciones de longitud de onda de la radiación óptica. Una forma elegante de superar estas restricciones es reducir las longitudes de onda al rango espectral del ultravioleta extremo (XUV) en experimentos de rejilla transitoria. Esta técnica se basa en la interferencia de dos rayos XUV que conducen a un patrón de excitación a nanoescala y ha sido pionera en la línea de luz EIS-Timer del láser de electrones libres (FEL) FERMI en Trieste, Italia.

Ahora, investigadores del Max-Born-Institute, Berlín y la instalación FEL FERMI han excitado una rejilla magnética transitoria (TMG) con una periodicidad de ΛTMG =87 nm en una muestra de aleación ferrimagnética de GdFe. La evolución espacial de la rejilla de magnetización se probó difractando un tercer pulso XUV con retardo de tiempo sintonizado en el borde N de Gd a una longitud de onda de 8,3 nm (150 eV). Como AOS exhibe una respuesta fuertemente no lineal a la excitación, uno espera cambios de simetría característicos de la rejilla magnética en evolución distintos del patrón de excitación sinusoidal inicial. Esta información está directamente codificada en el patrón de difracción:en caso de una respuesta de magnetización lineal a la excitación y sin AOS, se induce una TMG sinusoidal y se suprime el segundo orden de difracción. Sin embargo, si ocurre AOS, la forma de la rejilla cambia, lo que ahora permite una intensidad de difracción de segundo orden pronunciada. En otras palabras, los investigadores identificaron la relación de intensidad entre el segundo y el primer orden (R21) como una huella digital observable para AOS en experimentos de difracción.

En la imagen de arriba, a) yb) muestran la evolución temporal de las intensidades difractadas de primer y segundo orden, respectivamente. Los investigadores encuentran tiempos de decaimiento comparables de τRE,primero =(81 ± 7) ps y τRE,segundo =(90 ± 24) ps, consistentes con las tasas de difusión de calor lateral de las rejillas a nanoescala. c), muestra la relación R21 en función de la fluencia de excitación con un retardo constante de bomba-sonda de 50 ps. Para baja fluencia por debajo del umbral de AOS, el equipo de investigación observó un valor pequeño y constante de R21 de alrededor del 1%. Sin embargo, al aumentar la excitación, R21 muestra un aumento constante de ~ 8%, lo que proporciona la primera evidencia de AOS en la escala de longitud nanométrica. La relación R21 en función del tiempo se muestra en d) para dos fluencias de excitación seleccionadas. Para la fluencia más grande (círculos rojos), R21 exhibe una proporción elevada y constante de alrededor del 6 % durante el intervalo de tiempo medido de 150 ps, ​​lo que indica una estructura magnética estable, que se interpreta como dominios ópticamente inversos, es decir, AOS. Finalmente, los investigadores pudieron confirmar sus observaciones mediante mediciones totalmente ópticas complementarias en el espacio real utilizando microscopía de Faraday con resolución temporal.

En futuros experimentos de rejilla transitoria con periodicidades significativamente más pequeñas hasta <20 nm, se espera que los procesos de transporte lateral ultrarrápidos equilibren los gradientes de excitación en unos pocos picosegundos y, por lo tanto, definirán los límites espaciales fundamentales de AOS.

La investigación fue publicada en Nano Letters . + Explora más

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