Schematisk illustration av den experimentella spektroskopinställningen som används för de tidsupplösta T-MOKE-mätningarna. Provet exciteras optiskt av femtosekunds infraröda laserpulser (2 µm våglängd) och sonderas med femtosekunds mjuka röntgenpulser efter ett variabelt tidsintervall. Spektrum av de reflekterade mjuka röntgenstrålarna sprids horisontellt av ett gitter och registreras med en CCD-kamera. Insatsen visar ett schematiskt tvärsnitt av den studerade heterostrukturen och den djupberoende absorptionen av IR-laserpulsen, som förstärks i Pt-skiktet (blått). Kredit:MBI
Den framtida utvecklingen av funktionella magnetiska enheter baserade på ultrasnabb optisk manipulation av spinn kräver en förståelse för den djupberoende spinndynamiken över gränssnitten för komplexa magnetiska heterostrukturer. En ny teknik för att få en sådan "djupgående" och tidsupplöst syn på magnetiseringen har nu demonstrerats vid Max Born Institute i Berlin, med användning av bredbandiga femtosekunders mjuka röntgenpulser för att studera den transienta utvecklingen av magnetiseringsdjupprofiler inom en magnetiskt tunnfilmssystem.
I dagens informationsteknologi består funktionella magnetiska enheter typiskt av staplar av tunna lager av magnetiska och icke-magnetiska material, var och en endast cirka en nanometer tjock. Staplingen, valet av atomart och de resulterande gränssnitten mellan lagren är nyckeln till den specifika funktionen, till exempel som realiseras i de gigantiska magnetoresistansläshuvudena i alla magnetiska hårddiskar. Under de senaste åren har det visat sig att ultrakort laser pulserar ner till femtosekundområdet (1 femtosekund =10 -15 s) kan effektivt och mycket snabbt manipulera magnetiseringen i ett material, vilket möjliggör en övergående förändring eller till och med permanent omkastning av magnetiseringstillståndet. Även om dessa effekter huvudsakligen har studerats i enkla modellsystem, kommer framtida tillämpningar att kräva förståelse för magnetiseringsdynamik i mer komplexa strukturer med heterogenitet i nanometerskala.
Forskare från Max Born Institute i Berlin har tillsammans med sina kollegor från Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften och Helmholtz-Zentrum Berlin nu demonstrerat en ny teknik som gör det möjligt att lösa den spatiotemporala utvecklingen av laserinducerad spindynamik inom en komplex spindynamik. magnetisk heterostruktur på femto- och pikosekunders tidsskala. Med hjälp av ultrakorta mjuka röntgenpulser på cirka 8 nanometers våglängd genererade av en bredbandskälla i laboratorieskala baserad på High-Harmonic-Generation (HHG), kunde de följa magnetiseringsdjupprofilen som utvecklades inom ett 10 nanometer tunt ferrimagnetiskt järn- gadolinium (FeGd) lager efter att det träffades av en femtosekund infraröd (IR) laserpuls. Den grundläggande känsligheten för magnetiseringen härrör från den tvärgående magnetoptiska Kerr-effekten (T-MOKE) som leder till en magnetiseringsberoende reflektivitet i kombination med att vara elementspecifik. För att få djupinformation inom strukturen utvecklade teamet följande tillvägagångssätt:När strålningens våglängd är nära en atomresonans förändras dess penetrationsdjup i materialet kraftigt. Hur långt vissa spektrala komponenter i den bredbandiga mjuka röntgenpulsen kan "titta" in i materialet beror alltså på deras exakta våglängd. Följaktligen kan denna djupinformation hämtas via de spektrala förändringar som observeras efter reflektion. Magnetiseringsprofilen vid varje tidpunkt bestäms genom att anpassa de uppmätta T-MOKE-spektra med beräknade spektra erhållna från magnetiska spridningssimuleringar.
Bildande av transienta magnetiseringsdjupprofiler inom en laserexciterad heterostruktur som består av ett ferrimagnetiskt järn-gadolinium (GdFe, skuggat rött) lager mellan intilliggande tantal (Ta, skuggad grön) och platina (Pt, skuggad blå) lager.(a) Tid- lösta TMOKE-spektra (prickar) inspelade vid olika tidpunkter (pikosekunder, ps) efter att IR-laserpulserna träffade provet med olika intensiteter (svart, blått, grönt). De experimentella data är utrustade med hög noggrannhet genom magnetiska spridningssimuleringar (linjer).(b) Magnetiseringsdjupprofiler inom GdFe-skiktet hämtade från simuleringarna. Kredit:MBI
I experimentet inföll den 27 femtosekunders korta IR-laserpulsen som utlöste förändringarna i magnetiseringen på tantalskiktet som täcker det faktiska magnetiska FeGd-skiktet. Under de första hundra femtosekunderna observerades en homogen avmagnetisering av FeGd-skiktet. Till sin förvåning fann forskarna dock att vid senare tidpunkter på cirka en pikosekund var minskningen av magnetiseringen på grund av laserpulsen starkast på den sida av FeGd-lagret som inte var vänd mot den infallande laserpulsen. Övergående bildas en inhomogen magnetiseringsprofil, som reflekterar förbättrad avmagnetisering vid gränssnittet mot det tunna platinaskiktet under. Baserat på tidsskalan för den utvecklande magnetiseringsgradienten, kunde de ansvariga mikroskopiska processerna identifieras:Tvärtemot initiala förväntningar kan en betydande påverkan på grund av ultrasnabba spinntransportfenomen över gränssnittet uteslutas, eftersom detta skulle leda till magnetiseringsgradienter redan inom första hundratals femtosekunder. Istället uppstår den observerade effekten på grund av värmeinjektion från det nedgrävda platinaskiktet in i det magnetiska skiktet. Platina absorberar IR-laserpulsen mycket starkare än de andra skikten i heterostrukturen och fungerar därför som en lokaliserad intern värmekälla.
Schematisk vy av den ultrasnabba magnetiseringsdynamiken inducerad av en femtosekundlaserpuls inom en ferrimagnetisk järn-gadolinium (GdFe) heterostruktur. Den laserinducerade avmagnetiseringen av det magnetiska GdFe-skiktet förstärks mot gränssnittet med platinaskiktet (Pt) under, eftersom Pt absorberar laserpulsen mycket starkare än de andra skikten och därför fungerar som en lokaliserad intern värmekälla. Kredit:MBI
Det tillvägagångssätt som forskarna har demonstrerat gör det möjligt att följa utvecklingen av magnetiseringsprofiler med femtosekunds tids- och nanometerupplösning inom det hittills svåråtkomliga djupet av ett prov. Thus, it paves a way to testing fundamental theoretical predictions in ultrafast magnetism as well as studying laser-induced spin and heat transport phenomena in device-relevant geometries.
The research was published in Physical Review Research . + Utforska vidare
