a) första och b) andra ordningens diffraktionsintensitet som en funktion av tidsfördröjningen mellan pump- och sondstrålarna. c) Intensitetsförhållande mellan den andra och första diffraktionsordningen (R21) som en funktion av excitationsfluens vid en fördröjning på 50 ps. Vid en fluens på 1,3 arb.u. börjar det transienta magnetiseringsgittret att ändra sin form, vilket leder till uppkomsten av den andra diffraktionsordningen, ett fingeravtryck för AOS. d) Förhållandet R21 för en hög excitationsfluens (röda cirklar) uppvisar ett stort och konstant förhållande, vilket vi identifierar som uppkomsten av en stabil magnetisk struktur och därför som ytterligare bevis för AOS på nanometerspatial skala. Kredit:Max Born Institute
Ultrasnabb ljusstyrd kontroll av magnetisering på nanometerlängdskalan är nyckeln för att uppnå konkurrenskraftiga bitstorlekar i nästa generations datalagringsteknologi. Forskare vid Max Born Institute i Berlin och den storskaliga anläggningen Elettra i Trieste, Italien, har framgångsrikt demonstrerat den ultrasnabba uppkomsten av helt optisk omkoppling genom att generera ett gitter i nanometerskala genom interferens av två pulser i det extrema ultravioletta spektralområdet.
Fysiken för optiskt driven magnetiseringsdynamik på femtosekunds-tidsskalan är av stort intresse av två huvudskäl:för det första för en djupare förståelse av de grundläggande mekanismerna för icke-jämvikt, ultrasnabb spindynamik och för det andra för den potentiella tillämpningen i nästa generation av informationsteknologi med en vision att tillgodose behovet av både snabbare och mer energieffektiva datalagringsenheter.
All-optical switching (AOS) är en av de mest intressanta och lovande mekanismerna för denna strävan, där magnetiseringstillståndet kan vändas mellan två riktningar med en enda femtosekundlaserpuls, som fungerar som "0:or" och "1:or." Medan förståelsen av den tidsmässiga kontrollen av AOS har utvecklats snabbt, har kunskapen om ultrasnabba transportfenomen på nanoskala, som är viktiga för förverkligandet av helt optisk magnetisk omkastning i tekniska tillämpningar, förblivit begränsad på grund av våglängdsbegränsningarna för optisk strålning. Ett elegant sätt att övervinna dessa restriktioner är att reducera våglängderna till det extrema ultravioletta (XUV) spektralområdet i experiment med transienta gitter. Denna teknik är baserad på interferensen av två XUV-strålar som leder till ett excitationsmönster i nanoskala och har varit banbrytande vid EIS-Timer-strållinjen för frielektronlasern (FEL) FERMI i Trieste, Italien.
Nu har forskare från Max-Born-Institute, Berlin och FEL-anläggningen FERMI exciterat ett transient magnetiskt gitter (TMG) med en periodicitet på ΛTMG =87 nm i ett ferrimagnetiskt GdFe-legeringsprov. Den rumsliga utvecklingen av magnetiseringsgittret undersöktes genom att diffraktera en tidsfördröjd, tredje XUV-puls avstämd till Gd N-kanten vid en våglängd av 8,3 nm (150 eV). Eftersom AOS uppvisar ett starkt icke-linjärt svar på exciteringen, förväntar man sig karakteristiska symmetriförändringar av det utvecklande magnetiska gittret distinkt från det initiala sinusformade excitationsmönstret. Denna information kodas direkt i diffraktionsmönstret:i fallet med ett linjärt magnetiseringssvar på excitationen och ingen AOS induceras en sinusformad TMG och den andra diffraktionsordningen undertrycks. Men om AOS inträffar ändras gitterformen, vilket nu tillåter en uttalad andra ordningens diffraktionsintensitet. Med andra ord identifierade forskarna intensitetsförhållandet mellan andra och första ordningen (R21) som ett fingeravtryck som kan observeras för AOS i diffraktionsexperiment.
I bilden ovan visar a) och b) den tidsmässiga utvecklingen av de diffrakterade första och andra ordningens intensiteter. Forskarna finner jämförbara sönderfallstider för τRE, första =(81 ± 7) ps och τRE, andra =(90 ± 24) ps, i överensstämmelse med laterala värmediffusionshastigheter för gittren i nanoskala. c), visar förhållandet R21 som en funktion av excitationsfluensen vid en konstant pumpsondfördröjning på 50 ps. För låg fluens under tröskeln för AOS observerade forskargruppen ett konstant och litet värde på R21 på cirka 1 %. Genom att öka excitationen visar R21 en stadig ökning till ~8%, vilket ger första bevis för AOS på nanometerlängdskalan. Förhållandet R21 som funktion av tiden visas i d) för två valda excitationsfluenser. För den större fluensen (röda cirklar) uppvisar R21 ett förhöjt och konstant förhållande på cirka 6 % över det uppmätta tidsintervallet på 150 ps, vilket tyder på en stabil magnetisk struktur, som tolkas som optiskt omvända domäner, dvs AOS. Slutligen kunde forskarna bekräfta sina observationer genom kompletterande helt optiska mätningar i verkliga rymden med hjälp av tidsupplöst Faraday-mikroskopi.
I framtida experiment med transienta gitter med betydligt mindre periodicitet ner till <20 nm, förväntas ultrasnabba laterala transportprocesser utjämna excitationsgradienterna inom några pikosekunder och kommer därför att definiera de grundläggande rumsliga gränserna för AOS.
Forskningen publicerades i Nano Letters . + Utforska vidare
