Méthodes théoriques pour le femtomagnétisme et la spintronique ultrarapide

La société d’aujourd’hui repose sur le traitement et le stockage de grandes quantités de données. Le besoin urgent d’augmenter la capacité de stockage de données et la consommation d’énergie en plein essor des centres de données nécessitent l’optimisation et l’innovation des dispositifs de stockage de données magnétiques, dans lesquels les données sont stockées dans l’orientation de minuscules domaines magnétiques. Plus précisément, l’objectif est de réduire la consommation d’énergie et de permettre des vitesses de lecture et d’écriture de données plus élevées.

Pour son doctorat. recherche, Maarten Beens a découvert que l’utilisation d’impulsions laser très courtes est un candidat prometteur pour le développement de dispositifs de mémoire magnétique plus rapides.

Femtomagnétisme

Le domaine de recherche qui se concentre sur le contrôle de l’ordre magnétique avec des impulsions laser ultracourtes (femtosecondes) est appelé femtomagnétisme. Le domaine est apparu à la fin des années 1990 lorsqu’il a été découvert que lors d’une excitation par impulsion laser, la magnétisation d’un film mince magnétique change étonnamment rapidement et s’éteint en un billion de seconde.

Plus tard, il a été démontré que les impulsions laser peuvent être utilisées pour changer la direction de magnétisation dans des types spécifiques d’alliages magnétiques, un phénomène appelé commutation tout optique (AOS). Puisqu’il fournit un moyen de diriger l’ordre magnétique d’un état « 0 » à un état « 1 », la découverte de l’AOS a prouvé que le femtomagnétisme pouvait conduire au développement de technologies innovantes d’écriture de données.

Des études plus récentes montrent que le contrôle du magnétisme avec des impulsions laser va au-delà de l’influence au niveau local et peut être utilisé pour générer des « courants de spin » qui permettent la manipulation de l’aimantation sur une distance finie. Ici, « spin » fait référence à la propriété magnétique élémentaire d’un électron. Les processus répertoriés créent diverses opportunités pour créer un schéma d’écriture de données robuste et fiable.

Construire sur le passé

Afin d’atteindre le plein potentiel de mise en œuvre du femtomagnétisme dans les futurs dispositifs de mémoire, il est nécessaire de comprendre les phénomènes mentionnés ci-dessus à un niveau microscopique. Dans son doctorat. recherche, Maarten Beens et ses collaborateurs s’appuient sur les bases théoriques qui ont été développées au cours des dernières décennies et présentent de nouvelles perspectives concernant les mécanismes sous-jacents au magnétisme ultrarapide.

Par exemple, les modèles mathématiques développés par Beens et ses collègues permettent de mieux comprendre le lien entre l’extinction locale de l’aimantation et la génération de courants de spin. En accord avec des études expérimentales récentes, il s’est avéré que les deux processus semblent avoir la même origine physique. Ici, les ingrédients essentiels sont le chauffage induit par l’impulsion laser et les excitations magnétiques ondulatoires subséquentes qui sont générées à l’intérieur de l’aimant.

De plus, Beens a développé un modèle théorique qui permet de comparer les différents systèmes de matériaux magnétiques permettant une commutation tout optique. Une bicouche constituée d’une couche de cobalt et d’une couche de gadolinium s’est avérée être un candidat idéal en ce qui concerne la robustesse et la fiabilité du processus de commutation. La structure en couches permet un réglage relativement simple des caractéristiques magnétiques du système complet, de sorte que les propriétés du matériau qui sont critiques pour le processus AOS peuvent être optimisées.

De plus, l’ingénierie intelligente des empilements magnétiques permet aux courants de spin générés de jouer un rôle dans l’assistance au processus de commutation. Résultats Les simulations de Been soulignent que l’utilisation d’impulsions laser femtosecondes reste un outil d’écriture de données prometteur pour les futurs dispositifs de mémoire magnétique. Néanmoins, la physique sous-jacente n’est toujours pas complètement comprise et doit être explorée plus avant dans les années à venir pour déterminer son plein potentiel.