Die ultraschnelle lichtgesteuerte Steuerung der Magnetisierung im Nanometerbereich ist der Schlüssel zum Erreichen wettbewerbsfähiger Bitgrößen in der Datenspeichertechnologie der nächsten Generation. Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin und der Großanlage Elettra in Triest, Italien, haben erfolgreich die ultraschnelle Entstehung von rein optischem Schalten demonstriert, indem sie ein Nanometer-Gitter durch Interferenz zweier Impulse im extremen ultravioletten Spektralbereich erzeugt haben.
Die Physik der optisch angetriebenen Magnetisierungsdynamik auf der Femtosekunden-Zeitskala ist aus zwei Hauptgründen von großem Interesse: erstens für ein tieferes Verständnis der grundlegenden Mechanismen der Nichtgleichgewichts-, ultraschnellen Spindynamik und zweitens für die potenzielle Anwendung in der nächsten Generation von Informationstechnologie mit der Vision, den Bedarf an schnelleren und energieeffizienteren Datenspeichergeräten zu decken.
All-optisches Schalten (AOS) ist einer der interessantesten und vielversprechendsten Mechanismen für dieses Unterfangen, bei dem der Magnetisierungszustand mit einem einzigen Femtosekunden-Laserpuls zwischen zwei Richtungen umgekehrt werden kann, der als „0“ und „1“ dient. Während das Verständnis der zeitlichen Kontrolle von AOS schnell vorangekommen ist, blieb das Wissen über ultraschnelle Transportphänomene im Nanomaßstab, die für die Realisierung einer rein optischen Magnetumkehr in technologischen Anwendungen wichtig sind, aufgrund der Wellenlängenbeschränkungen optischer Strahlung begrenzt. Ein eleganter Weg, diese Beschränkungen zu überwinden, besteht darin, die Wellenlängen in transienten Gitterexperimenten auf den extrem ultravioletten (XUV) Spektralbereich zu reduzieren. Diese Technik basiert auf der Interferenz zweier XUV-Strahlen, die zu einem nanoskaligen Anregungsmuster führt, und wurde an der EIS-Timer-Beamline des Freie-Elektronen-Lasers (FEL) FERMI in Triest, Italien, entwickelt.
Nun haben Forscher des Max-Born-Instituts, Berlin und der FEL-Anlage FERMI in einer Probe einer ferrimagnetischen GdFe-Legierung ein transientes magnetisches Gitter (TMG) mit einer Periodizität von ΛTMG = 87 nm angeregt. Die räumliche Entwicklung des Magnetisierungsgitters wurde durch Beugung eines zeitverzögerten, dritten XUV-Pulses, abgestimmt auf die Gd-N-Kante, bei einer Wellenlänge von 8,3 nm (150 eV) untersucht. Da AOS eine stark nichtlineare Reaktion auf die Anregung zeigt, erwartet man charakteristische Symmetrieänderungen des sich entwickelnden magnetischen Gitters, die sich von dem anfänglichen sinusförmigen Anregungsmuster unterscheiden. Diese Information ist direkt im Beugungsmuster kodiert: Bei einer linearen Magnetisierungsantwort auf die Anregung und ohne AOS wird ein sinusförmiges TMG induziert und die zweite Beugungsordnung unterdrückt. Wenn jedoch AOS auftritt, ändert sich die Gitterform, was nun eine ausgeprägte Beugungsintensität zweiter Ordnung ermöglicht. Mit anderen Worten, die Forscher identifizierten das Intensitätsverhältnis zwischen der zweiten und der ersten Ordnung (R21) als Fingerabdruck, der in Beugungsexperimenten für AOS beobachtbar ist.
Im obigen Bild zeigen a) und b) die zeitliche Entwicklung der gebeugten Intensitäten erster bzw. zweiter Ordnung. Die Forscher finden vergleichbare Abklingzeiten von τRE,first = (81 ± 7) ps und τRE,second = (90 ± 24) ps, die mit den lateralen Wärmediffusionsraten der nanoskaligen Gitter übereinstimmen. c) zeigt das Verhältnis R21 als Funktion der Anregungsfluenz bei einer konstanten Pump-Probe-Verzögerung von 50 ps. Bei niedriger Fluenz unterhalb der AOS-Schwelle beobachtete das Forschungsteam einen konstanten und kleinen Wert von R21 von etwa 1 %. Bei zunehmender Anregung zeigt R21 jedoch einen stetigen Anstieg auf ~8%, was erste Hinweise auf AOS auf der Nanometer-Längenskala liefert. Das Verhältnis R21 als Funktion der Zeit ist in d) für zwei ausgewählte Anregungsfluenzen gezeigt. Für die größere Fluenz (rote Kreise) weist R21 ein erhöhtes und konstantes Verhältnis von etwa 6 % über das gemessene Zeitintervall von 150 ps auf, was auf eine stabile magnetische Struktur hinweist, die als optisch umgekehrte Domänen, dh AOS, interpretiert wird. Schließlich konnten die Forscher ihre Beobachtungen durch ergänzende rein optische Messungen im realen Raum mit zeitaufgelöster Faraday-Mikroskopie bestätigen.
In Zukunft werden transiente Gitterversuche mit deutlich kleineren Periodizitäten bis hin zu
Die Studie wurde veröffentlicht in Nano-Buchstaben.
Kelvin Yao et al, All-Optical Switching on the Nanometer Scale Excited and Probed with Femtosecond Extreme Ultraviolet Pulses, Nano-Buchstaben (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01060
Zur Verfügung gestellt vom Max-Born-Institut