Commutation tout optique à l’échelle du nanomètre

Le contrôle ultra-rapide de la magnétisation par la lumière à l’échelle du nanomètre est essentiel pour atteindre des tailles de bits compétitives dans la technologie de stockage de données de nouvelle génération. Des chercheurs de l’Institut Max Born à Berlin et de l’installation à grande échelle Elettra à Trieste, en Italie, ont réussi à démontrer l’émergence ultrarapide de la commutation tout optique en générant un réseau à l’échelle nanométrique par interférence de deux impulsions dans la gamme spectrale ultraviolette extrême.

La physique de la dynamique de l’aimantation à commande optique à l’échelle de la femtoseconde est d’un grand intérêt pour deux raisons principales : premièrement, pour une compréhension plus approfondie des mécanismes fondamentaux de la dynamique de spin ultrarapide hors d’équilibre et, deuxièmement, pour l’application potentielle dans la prochaine génération de technologie de l’information avec une vision pour satisfaire le besoin de dispositifs de stockage de données à la fois plus rapides et plus économes en énergie.

La commutation tout optique (AOS) est l’un des mécanismes les plus intéressants et les plus prometteurs pour cette entreprise, où l’état de magnétisation peut être inversé entre deux directions avec une seule impulsion laser femtoseconde, servant de « 0 » et de « 1 ». Alors que la compréhension du contrôle temporel de l’AOS a progressé rapidement, les connaissances sur les phénomènes de transport ultrarapide à l’échelle nanométrique, importants pour la réalisation de l’inversion magnétique tout optique dans les applications technologiques, sont restées limitées en raison des limitations de longueur d’onde du rayonnement optique. Une manière élégante de surmonter ces restrictions consiste à réduire les longueurs d’onde à la gamme spectrale ultraviolette extrême (XUV) dans les expériences de réseau transitoire. Cette technique est basée sur l’interférence de deux faisceaux XUV conduisant à un motif d’excitation à l’échelle nanométrique et a été mise au point sur la ligne de faisceau EIS-Timer du laser à électrons libres (FEL) FERMI à Trieste, en Italie.

Maintenant, des chercheurs du Max-Born-Institute de Berlin et de l’installation FEL FERMI ont excité un réseau magnétique transitoire (TMG) avec une périodicité de ΛTMG = 87 nm dans un échantillon d’alliage ferrimagnétique GdFe. L’évolution spatiale du réseau d’aimantation a été sondée en diffractant une troisième impulsion XUV temporisée accordée au bord Gd N à une longueur d’onde de 8,3 nm (150 eV). Comme l’AOS présente une réponse fortement non linéaire à l’excitation, on s’attend à des changements de symétrie caractéristiques du réseau magnétique en évolution distincts du motif d’excitation sinusoïdal initial. Cette information est directement encodée dans le diagramme de diffraction : en cas de réponse d’aimantation linéaire à l’excitation et sans AOS, un TMG sinusoïdal est induit et le deuxième ordre de diffraction est supprimé. Cependant, si l’AOS se produit, la forme du réseau change, permettant maintenant une intensité de diffraction de second ordre prononcée. En d’autres termes, les chercheurs ont identifié le rapport d’intensité entre le deuxième et le premier ordre (R21) comme une empreinte digitale observable pour l’AOS dans les expériences de diffraction.

Dans l’image ci-dessus, a) et b) montrent l’évolution temporelle des intensités diffractées du premier et du second ordre, respectivement. Les chercheurs ont trouvé des temps de décroissance comparables de τRE,first = (81 ± 7) ps et τRE,second = (90 ± 24) ps, cohérents avec les taux de diffusion latérale de la chaleur des réseaux à l’échelle nanométrique. c), montre le rapport R21 en fonction de la fluence d’excitation à un retard pompe-sonde constant de 50 ps. Pour une faible fluence inférieure au seuil d’AOS, l’équipe de recherche a observé une valeur constante et faible de R21 d’environ 1 %. En augmentant l’excitation, cependant, R21 montre une augmentation constante à ~ 8%, fournissant la première preuve de l’AOS à l’échelle du nanomètre. Le rapport R21 en fonction du temps est représenté en d) pour deux fluences d’excitation choisies. Pour la plus grande fluence (cercles rouges), R21 présente un rapport élevé et constant d’environ 6% sur l’intervalle de temps mesuré de 150 ps, ​​indiquant une structure magnétique stable, qui est interprétée comme des domaines optiquement inversés, c’est-à-dire AOS. Enfin, les chercheurs ont pu confirmer leurs observations par des mesures complémentaires tout-optiques dans l’espace réel à l’aide de la microscopie Faraday résolue en temps.

Dans de futures expériences de réseaux transitoires avec des périodicités significativement plus petites jusqu’à

La recherche a été publiée dans Nano-lettres.

Fourni par l’Institut Max Born