充分探索光磁化切换的极限

德国柏林马克斯·玻恩研究所的研究人员与西班牙马德里材料科学研究所和意大利的里雅斯特费米自由电子激光设施的同事合作，确定了光驱动辐射的基本空间限制。 反向磁化。

现代磁性硬盘驱动器每平方英寸可以存储超过 1 TB 的数据，这意味着最小的信息单元可以在小于 25 纳米 x 25 纳米的区域上进行编码。 在基于激光的全光切换中，磁编码位通过超短激光脉冲在“0”和“1”状态之间切换。 为了充分发挥全光学开关的潜力，特别是在更快的写入/擦除周期和提高能源效率方面，我们需要了解如果磁性位的尺寸在纳米级，是否可以完全光学反转。

为了发生 AOS，磁性材料必须被加热到非常高的温度，直到其磁化强度降低到接近零。 只有这样它的磁化强度才能逆转。 AOS 的不同之处在于，为了介导磁切换，仅加热材料的电子，同时保持原子核晶格冷却就足够了。 这正是光学激光脉冲的作用：它只与电子相互作用，允许电子在非常低的能量水平下达到更高的温度。 然而，由于热电子通过与冷原子核散射而冷却得非常快，因此磁化强度必须在这个特征时间尺度上足够快地降低，即 AOS 取决于电子温度演变和磁化强度损失之间的微妙平衡。 很容易看出，当光激发仅限于纳米尺度时，这种平衡发生了变化：现在电子不仅可以通过“向原子核施加脉冲”来损失能量，而且还可以通过扩散简单地留下纳米级的小热点。 远的。 由于它们只需穿过纳米距离即可实现这一点，因此这些过程也会在超快的时间尺度上发生，因此电子可能冷却得太快，磁化强度不会充分降低，并且 AOS 会崩溃。

一个国际研究小组通过将实验与软 X 射线和原子自旋动力学计算相结合，首次成功解决了“AOS 的工作原理有多小”的问题。 他们通过干涉两个波长为 8.3 纳米的软 X 射线激光脉冲，在典型磁性材料 GdFe 样品的表面上产生了寿命极短的暗线和亮线激光图案。 这使得暗区和亮区之间的距离缩小到只有 8.7 nm。 这种照明仅存在约 40 飞秒，导致 GdFe 中的热电子温度和冷电子温度发生横向调制，并具有类似的局部磁化强度损失。 然后，科学家们可以追踪这种模式在相关的非常短的时间尺度上是如何演变的。 为此，具有相同波长 8.3 nm 的第三个软 X 射线脉冲在与裂纹生成脉冲不同的时间延迟处从瞬态磁化图案中衍射。 在这个特定波长下，钆原子中的电子共振使软X射线脉冲能够“感知”磁化强度的存在，因此可以以亚纳米时间、飞秒和空间分辨率检测磁化强度变化。 通过将实验结果与最近的模拟相结合，研究人员能够确定纳米尺度的超快能量转移。 事实证明，由纳米级周期性激发引起的 GdFe 合金中的最小 AOS 尺寸约为 25 nm。 这一限制是由于超快的横向电子扩散造成的，它会在如此小的长度尺度上快速冷却明亮区域，并最终阻止 AOS。 电子扩散导致的更快冷却可以通过增加激发功率在一定程度上得到补偿，但这种方法最终受到强激光束造成的结构损伤的限制。 研究人员预计 25 nm 的限制对于所有金属磁性材料来说都是相当普遍的。