I en nyligen publicerad artikel i Nanoskala , forskare från Nanomagnetism-gruppen vid nanoGUNE har demonstrerat användningen av hybridmagnetiska-plasmoniska element för att underlätta kontaktlös och selektiv temperaturkontroll i magnetiska funktionella metamaterial.

Jämfört med nuvarande globala värmesystem, som är långsamma och energiineffektiva, ljusstyrd uppvärmning med optiska frihetsgrader som våglängd, polarisering, och makt, möjliggör effektiva lokala uppvärmningssystem för användning i nanomagnetisk beräkning eller för att kvantifiera kollektiva framväxande fenomen i artificiella spinnsystem.

Endomäns nanoskalamagneter som interagerar via kontaktlösa magneto-statiska interaktioner är viktiga metamaterial för applikationer inklusive magnetiska datalagringsenheter, informationsbehandling med låg effekt, och studera kollektiva fenomen i så kallade artificiella isar. Dessa magnetiska metamaterial tillverkas med hjälp av elektronstrålenanolitografi där vilket önskat tvådimensionellt arrangemang av tunnfilmsmagnetiska element med dimensioner på några hundra nanometer kan utformas.

Funktionaliteten hos sådana magnetiska metamaterial bestäms av förmågan att vända nettomomentet för varje nanomagnet för att minimera de övergripande ömsesidiga magnetostatiska interaktionerna, vilket sker snabbare vid förhöjda temperaturer. Över åren, olika uppvärmningsscheman har använts för att driva nätverk av interagerande nanomagneter till ett jämviktstillstånd, allt från termisk glödgning av stabila magneter till tillverkning av snabbt fluktuerande ultratunna superparamagnetiska element.

För närvarande, termisk excitation av artificiella spinnsystem uppnås genom termisk kontakt med en het reservoar, antingen genom att värma upp hela det underliggande substratet, eller av en elektrisk ström i en ledande tråd i närheten. Alla dessa tillvägagångssätt är energiskt ineffektiva, rumsligt icke-diskriminerande, och i grunden långsam, med tidsskalor från sekunder till timmar, vilket gör det svårt att nå ett riktigt jämviktstillstånd i förlängda frustrerade nanomagnetiska gitter. Vidare, för implementering i enheter av magnetiska metamaterial, t.ex. magnoniska kristaller och nanomagnetiska logiska kretsar, global uppvärmning saknar kontroll, rumslig diskriminering, och hastighet som krävs för integrerad drift med CMOS-teknik.

Att tillämpa en hybridmetod som kombinerar en plasmonisk nanovärmare med ett magnetiskt element, i det här arbetet, författarna etablerar robust och tillförlitlig kontroll av lokala temperaturer i nanomagnetiska arrayer med kontaktlösa optiska medel. Här, plasmonassisterad fotouppvärmning möjliggör temperaturökningar på upp till flera hundra Kelvin, vilket leder till termiskt aktiverade momentomkastningar och en uttalad minskning av det magnetiska koercitivfältet. Vidare, det polarisationsberoende absorptionstvärsnittet av långsträckta plasmoniska element möjliggör subgitterspecifik uppvärmning på sub-nanosekunders tidsskalor, vilket inte är möjligt med konventionella värmesystem. Författarna kvantifierar experimentellt de optiska och magnetiska egenskaperna hos arrayer av enkla hybridelement såväl som vertexliknande sammansättningar, och presentera strategier för hur man uppnår effektiva, snabb, och selektiv kontroll av den termiskt aktiverade magnetiska omkastningen genom val av brännpunkt, pumpkraft, ljuspolarisering, och pulslängd.

Därför, utvecklingen av effektiv icke-invasiv plasmonassisterad optisk uppvärmning av nanomagneter möjliggör flexibel kontroll av längd- och tidsskalor för den termiska exciteringen i magnetiska metamaterial. Detta möjliggör djupare studier av jämviktsegenskaper och framväxande excitationer i artificiella spinnsystem, samt öppna dörrar för praktisk användning i applikationer som lågeffekts nanomagnetisk beräkning.