Investigadores del Instituto Max Born en Berlín, Alemania, en colaboración con colegas del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, España, y la Instalación de Láser de Electrones Libres FERMI en Trieste, Italia, han identificado un límite espacial fundamental para la radiación impulsada por la luz. Magnetización inversa.
Los discos duros magnéticos modernos pueden almacenar más de un terabyte de datos por pulgada cuadrada, lo que significa que la unidad más pequeña de información puede codificarse en un área menor de 25 nanómetros por 25 nanómetros. En la conmutación totalmente óptica basada en láser, los bits codificados magnéticamente se conmutan entre los estados «0» y «1» con un pulso láser ultracorto. Para aprovechar todo el potencial de la conmutación totalmente óptica, especialmente en términos de ciclos de escritura/borrado más rápidos y una mayor eficiencia energética, necesitamos comprender si un bit magnético puede invertirse completamente ópticamente si su tamaño está en la escala nanométrica.
Para que se produzca AOS, el material magnético debe calentarse a temperaturas muy altas hasta que su magnetización se reduzca casi a cero. Sólo entonces se podrá revertir su magnetización. El giro en AOS es que para mediar la conmutación magnética, es suficiente calentar sólo los electrones del material mientras se deja fría la red de los núcleos atómicos. Esto es exactamente lo que hace un pulso de láser óptico: solo interactúa con los electrones, lo que permite que los electrones alcancen temperaturas mucho más altas con niveles de energía muy bajos. Sin embargo, dado que los electrones calientes se enfrían muy rápidamente al dispersarse con núcleos atómicos fríos, la magnetización debe reducirse lo suficientemente rápido en esta escala de tiempo característica, es decir, el AOS depende de un delicado equilibrio entre la evolución de la temperatura de los electrones y la pérdida de magnetización. Es fácil ver que este equilibrio cambia cuando la excitación óptica se limita a la nanoescala: ahora los electrones no sólo pueden perder energía «dando un impulso a los núcleos atómicos», sino que también pueden simplemente dejar puntos calientes de tamaño nanométrico por difusión. lejos. Dado que para ello sólo tienen que recorrer una distancia nanométrica, estos procesos también ocurren en una escala de tiempo ultrarrápida, de modo que los electrones pueden enfriarse demasiado rápido, la magnetización no disminuye lo suficiente y el AOS colapsa.
Un equipo internacional de investigadores ha logrado por primera vez abordar la cuestión de «qué tan pequeño es el AOS» combinando experimentos que utilizan rayos X suaves y cálculos de la dinámica del espín atómico. Al superponer dos suaves pulsos de láser de rayos X con una longitud de onda de 8,3 nm, produjeron un patrón de duración extremadamente corta de líneas de luz láser oscuras y brillantes en la superficie de una muestra del típico material magnético GdFe. Esto permitió reducir la distancia entre las áreas oscuras y brillantes a solo 8,7 nm. Esta iluminación solo existe durante unos 40 femtosegundos, lo que lleva a una modulación lateral de las temperaturas de los electrones fríos y calientes en GdFe con una pérdida localizada similar de magnetismo. Luego, los científicos pueden seguir cómo evoluciona este patrón en escalas de tiempo relevantes muy cortas. Para ello, se difractó un tercer pulso de rayos X suaves con la misma longitud de onda de 8,3 nm del patrón magnético transitorio en diferentes periodos de tiempo de los pulsos que generan el patrón. En esta longitud de onda específica, la resonancia electrónica en los átomos de gadolinio permite que el suave pulso de rayos X «detecta» la presencia de magnetismo y, por lo tanto, el cambio en el magnetismo puede detectarse con una resolución temporal de femtosegundos y una resolución espacial subnanométrica. Combinando resultados experimentales con simulaciones de última generación, los investigadores pueden determinar la transferencia de energía ultrarrápida a escala nanométrica. Resulta que el tamaño mínimo del AOS en aleaciones de GdFe, inducido por excitación periódica a nanoescala, es de aproximadamente 25 nm. Este límite se debe a la difusión lateral del electrón ultrarrápido, que enfría rápidamente las regiones brillantes en estas pequeñas escalas de longitud y, en última instancia, evita el AOS. Un enfriamiento más rápido debido a la difusión de electrones se puede compensar en cierta medida aumentando la potencia de excitación, pero este enfoque se ve limitado en última instancia por el daño estructural causado por el intenso rayo láser. Los investigadores esperan que el límite de 25 nm sea bastante universal para todos los materiales magnéticos metálicos.
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