Ett internationellt team av fysiker från Bielefeld University, Uppsala universitet, universitetet i Strasbourg, University of Shanghai for Science and Technology, Max Planck Institute for Polymer Research, ETH Zürich, och Free University Berlin har utvecklat en exakt metod för att mäta den ultrasnabba förändringen av ett magnetiskt tillstånd i material. De gör detta genom att observera utsläpp av terahertz -strålning som nödvändigtvis åtföljer en sådan magnetiseringsändring. Deras studie, med titeln "Ultrafast terahertz magnetometri, "publiceras idag i Naturkommunikation .

Magnetiska minnen får inte bara högre och högre kapacitet genom att krympa storleken på magnetiska bitar, de blir också snabbare. I princip, den magnetiska biten kan vändas – det vill säga, den kan ändra sitt tillstånd från ett till noll eller vice versa – på en extremt snabb tidsskala som är kortare än en pikosekund. En pikosekund (1 ps =10 ^-12 s) är en miljondel av en miljondels sekund. Detta kan tillåta drift av magnetiska minnen vid terahertz (1 THz =1 x 10 ¹² hertz) växla frekvenser, motsvarar extremt höga terabit per sekund (Tbit/s) datahastigheter.

"Den faktiska utmaningen är att kunna upptäcka en sådan magnetiseringsförändring snabbt och tillräckligt känsligt, " förklarar Dr Dmitry Turchinovich, professor i fysik vid Bielefeld University och ledare för denna studie. "De befintliga metoderna för ultrasnabb magnetometri lider alla av vissa betydande nackdelar som, till exempel, drift endast under ultrahögt vakuum, oförmågan att mäta på inkapslade material, och så vidare. Vår idé var att använda den grundläggande principen för elektrodynamik. Detta anger att en förändring i magnetiseringen av ett material måste resultera i emission av elektromagnetisk strålning som innehåller hela informationen om denna magnetiseringsförändring. Om magnetiseringen i ett material ändras på en pikosekund tidsskala, då kommer den utsända strålningen att tillhöra terahertz-frekvensområdet. Problemet är, att denna strålning, känd som "magnetisk dipolemission, 'är mycket svag, och kan lätt skymmas av ljusemissioner av annat ursprung. "

Wentao Zhang, en Ph.D. student i professor Dmitry Turchinovichs labb, och den första författaren till den publicerade tidningen säger:"Det tog oss tid, men till slut lyckades vi isolera just denna magnetiska dipol-terahertz-emission som gjorde det möjligt för oss att på ett tillförlitligt sätt rekonstruera den ultrasnabba magnetiseringsdynamiken i våra prover:inkapslade nanofilmer av järn."

I sina experiment, forskarna skickade mycket korta pulser av laserljus till nanofilmerna av järn, får dem att avmagnetisera mycket snabbt. På samma gång, de samlade in terahertzljuset som sänds ut under en sådan avmagnetiseringsprocess. Analysen av denna terahertz-emission gav den exakta tidsmässiga utvecklingen av ett magnetiskt tillstånd i järnfilmen.

"När vår analys var klar, vi insåg att vi faktiskt såg mycket mer än vad vi hade förväntat oss, " fortsätter Dmitry Turchinovich. "Det har redan varit känt under en tid att järn kan avmagnetisera mycket snabbt när det belyses av laserljus. Men det vi också såg var en ganska liten, men en mycket tydlig tilläggssignal i magnetiseringsdynamik. Detta gjorde oss alla väldigt glada. Denna signal kom från avmagnetiseringen i järn - faktiskt driven av utbredningen av en mycket snabb ljudpuls genom vårt prov. Var kom detta ljud ifrån? Mycket enkelt:när järnfilmen absorberade laserljuset, det avmagnetiserade inte bara, det blev också varmt. Som vi vet, de flesta material expanderar när de blir varma - och denna expansion av järn -nanofilmen lanserade en puls med terahertz -ultraljud i vår provstruktur. Denna ljudpuls studsade fram och tillbaka mellan sampelgränserna, inre och yttre, som ekot mellan väggarna i en stor hall. Och varje gång detta eko passerade genom nanofilmen av järn, ljudtrycket flyttade järnatomerna lite, och detta försvagade magnetismen i materialet ytterligare." Denna effekt har aldrig tidigare observerats på en så ultrasnabb tidsskala.

"Vi är mycket glada att vi kunde se denna akustiskt drivna ultrasnabba magnetiseringssignal så tydligt, och att den var så relativt stark. Det var fantastiskt att upptäcka det med THz-strålning, som har en våglängd under mm, fungerade så bra, eftersom expansionen i järnfilmen bara är tiotals femtometer (1 fm =10 ^-15 m) som är tio storleksordningar mindre, "säger doktor Peter M. Oppeneer, professor i fysik vid Uppsala universitet, som ledde den teoretiska delen av denna studie. Dr Pablo Maldonado, en kollega till Peter M. Oppeneer som utförde de numeriska beräkningarna som var avgörande för att förklara observationerna i detta arbete, tillägger:"Vad jag tycker är extremt spännande är en nästan perfekt matchning mellan experimentdata och våra teoretiska beräkningar med första principer. Detta bekräftar att vår experimentella metod för ultrasnabb terahertz-magnetometri verkligen är mycket exakt och även tillräckligt känslig, eftersom vi kunde skilja tydligt mellan ultrasnabba magnetiska signaler av olika ursprung:elektroniska och akustiska."

De återstående medförfattarna till denna publikation har ägnat den åt minnet av sin kollega och en pionjär inom ultrahög magnetism, Dr. Eric Beaurepaire från universitetet i Strasbourg. Han var en av upphovsmännen till denna studie, men gick bort under dess slutskede.